Abstract

Abstract

Предложены результаты исследований покрытия Ti–Al–N на стали 20Х3МВФ-Ш как перспективного материала для использования в топливорегулирующих агрегатах авиационного двигателя.

Full Text

Пленки и покрытия с нанокристаллической структурой сложных соединений типа Ti–Al–N являются объектом пристального внимания исследователей, поскольку многофазные нанокристаллические покрытия, состоящие из твердой и наноаморфной фазы по границам зерен, обладают более высоким в сравнении с TiN комплексом свойств – твердостью, термостойкостью и упругостью [1–3]. Многослойные покрытия, состоящие из нанослоев с чередующими слоями металлов и тугоплавких соединений, значительно увеличивают износостойкость при низком коэффициенте трения. Удельная прочность сверхтонкой пленки может быть выше в десятки раз по сравнению с монолитным материалом [4–6]. Цель данной работы заключалась в анализе с помощью сканирующей электронной микроскопии и локального микроанализа структуры образцов покрытия Ti–Al–N на стальной подложке 20Х3МВФ-Ш. Исследование покрытий и анализ элементного состава выполнен с помощью сканирующих электронных микроскопов Ultra 55 (Carl Zeiss, Германия) и Phenom (FEI, Нидерланды), энергодисперсионного спектрометра Inca Energy (Oxford Instrument, Великобритания). Оценка структурных параметров покрытий выполнена с помощью обработки цифровых изображений посредством программного обеспечения ImageScope-M и SmartSEM. Для получения покрытий Ti–Al–N использовался метод магнетронного распыления, применялась опытно-промышленная установка UNICOAT-600. Покрытия получены в лаборатории Научного центра порошкового материаловедения Пермского национального исследовательского политехнического университета. Для магнетронного распыления напряжения смещения U, разрядный ток магнетрона I, соотношение смеси газов N2/Ar, время осаждения t порошков тугоплавких соединений и дистанция L между распыляемой мишенью и подложкой были неизменными: U = 50 В, N2/Ar = 35/65 %, I = 4,1 А, t = 50 мин, L = 100 мм. Направление ионно-плазменного потока перпендикулярно плоскости подложки. При исследовании структуры образцов после ионной очистки поверхности перед нанесением покрытия Ti–Al–N установлено, что поверхность подложки гладкая, проявляется ее структура при съемке в режиме обратно рассеянных электронов (рис. 1). а б Рис. 1. Структура подложки после ионной очистки. Изображения получены в режиме обратно рассеянных электронов (а) и топографического контраста (б). ´2000 В режимах топографического контраста и отраженных электронов на сканирующем электронном микроскопе Phenom выполнен анализ образцов стали 20Х3МВФ-Ш с покрытием Ti–Al–N, полученным методом магнетронного распыления. При увеличении ´5000 отчетливо выявляется капельная фаза при анализе в отраженных электронах (рис. 2, а), а в режиме топографического контраста наблюдается неровность покрытия, обусловленная качеством механической обработки подложки (рис. 2, б). Максимальный размер капельной фазы достигает 12,0 мкм при разнообразии морфометрических параметров, варьирующихся, например, по коэффициенту геометрии К от 0,8 до 1,0. а б Рис. 2. Структура покрытия Ti–Al–N в режиме отраженных электронов (а) и топографического контраста (б). ´5000 Рис. 3. Область покрытия без капельной фазы. ´20 000 Анализ покрытия при больших увеличениях (´7000 и ´20 000) в режиме обратно рассеянных электронов участков без капельной фазы показал, что размеры зерен покрытия следующие: минимальный – 0,23 мкм, максимальный – 0,65 мкм (средний порядка 0,47 мкм); при этом структура покрытия однородная (рис. 3). Важную информацию о строении покрытия смогли получить при анализе излома образца. Из рис. 4 следует, что покрытие обладает столбчатой структурой: ширина структурного элемента, оцененная посредством программного обеспечения SmartSEM, порядка 160 нм. Анализ элементного состава покрытия на изломе (рис. 4, таблица), выполненный с помощью EDX-спектрометра Inca Energy 450, показал следующие результаты: – спектр 1, полученный на границе раздела «подложка – покрытие» соответствует интерметаллическому соединению Ti–Al, линии железа – от подложки; – спектр 2 соответствует соединению Ti–Al–N; – спектр 3 подобен спектру № 1, т.е. интерметаллическое соединение Ti–Al и линии железа и хрома от подложки; – спектр 4 соответствует соединению Ti–Al–N. Рис. 4. Излом покрытия Ti–Al–N, изображение во вторичных электронах Химический состав покрытия Ti–Al–N Номер спектраСодержание, мас. % NAlTiCrFe 1–34,6635,45–29,90 216,5639,6043,84–– 3–10,055,6513,7070,60 415,9041,0943,01–– Таким образом, анализ элементного состава показал многофазный состав покрытия: обнаружены интерметаллические фазы системы Ti–Al и соединения Ti–Al–N. При этом на границе «подложка – покрытие» наблюдаются линии железа и хрома, соответствующие подложке. Из анализа излома образца следует, что покрытие обладает плотной структурой (рис. 5). Если сравнивать полученную структуру с моделью структурных зон Барны и Адамика [7], предсказывающую изменение от столбчатой к глобулярной структуре при вариации концентрации присадок, в зависимости от гомологической температуры, то, скорее всего, анализируемый тип структуры относится к зоне так называемой «конкурирующей текстуры», когда в нижней области пленки присутствует плотная нанокристаллическая, а выше ее – столбчатая структура. Рис. 5. Структура покрытия в изломе образца. Съемка в режиме вторичных электронов. ´20 510 С помощью процедуры «маппирования» при EDX-анализе получены карты распределения элементов Ti, Al и N, которые указывают на равномерный характер их распределения. Однако локальный микроанализ при величине зонда порядка 1,0 мкм показывает, что концентрации элементов различимы. Локальную неоднородность подтверждает анализ в пяти точках на отрезке 180 мкм с интервалом 36 мкм (рис. 6). Таким образом, анализ элементного состава показал многофазный состав покрытия: обнаружены интерметаллические фазы системы Ti–Al и соединения Ti–Al–N. При этом на границе «подложка – покрытие» наблюдаются линии железа и хрома, соответствующие подложке. Из полученных данных следует, что выявленная неоднородность, вероятно, приводит к формированию таких фаз, как TiN, AlN, и интерметаллидов системы Ti–Al. Обнаруженная неоднородность в фазовом составе подтверждается также при исследовании элементного состава (концентраций Ti, Al, N) на изломе образца. Полученные карты распределения элементов указывают на диффузию распыляемого вещества в подложку (рис. 7). Рис. 6. Концентрации титана, алюминия и азота по линии 180 мкм а б в г д Рис. 7. Электронно-микроскопическое изображение (а) и карты распределения элементов в области границы «покрытие – подложка»: б – азот; в – алюминий; г – титан; д – железо Таким образом, электронно-микроскопические исследования покрытий Ti–Al–N позволили установить, что покрытия характеризуются плотной структурой с присутствием капельной фазы размером 12 мкм. При этом средний размер зерна покрытия соответствует 0,47 мкм. Оценка величин структурных параметров покрытия показала, что ширина столбцов и диаметр частиц в покрытии составляют 160 нм и 65–93 нм. Анализируемая структура относится к типу так называемой «конкурирующей текстуры», когда в нижней области покрытия присутствует плотная нанокристаллическая, а выше ее – столбчатая структура. На основе полученных карт распределения элементов в покрытии установлена их неоднородность, что подтверждает многофазность покрытия. Покрытие состоит из фаз TiAlN, TiN, AlN и интерметаллидов системы Ti–Al. При анализе границы раздела «покрытие – подложка» установлено, что в процессе нанесения покрытия происходит диффузия распыляемых веществ в подложку.