научная статья по теме НАНОКОМПОЗИТНЫЕ ПЛЕНКИ, ПОЛУЧЕННЫЕ ОСАЖДЕНИЕМ ТИТАНА И УГЛЕРОДА ИЗ ДУГОВОЙ ПЛАЗМЫ Химия

Текст научной статьи на тему «НАНОКОМПОЗИТНЫЕ ПЛЕНКИ, ПОЛУЧЕННЫЕ ОСАЖДЕНИЕМ ТИТАНА И УГЛЕРОДА ИЗ ДУГОВОЙ ПЛАЗМЫ»

ФИЗИКОХИМИЯ ПОВЕРХНОСТИ И ЗАЩИТА МАТЕРИАЛОВ, 2015, том 51, № 2, с. 180-183

== НАНОРАЗМЕРНЫЕ И НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЕ

МАТЕРИАЛЫ И ПОКРЫТИЯ

УДК 621.793;539.231

НАНОКОМПОЗИТНЫЕ ПЛЕНКИ, ПОЛУЧЕННЫЕ ОСАЖДЕНИЕМ ТИТАНА И УГЛЕРОДА ИЗ ДУГОВОЙ ПЛАЗМЫ

© 2015 г. А. Б. Владимиров, С. А. Плотников, И. Ш. Трахтенберг, А. П. Рубштейн, Е. Г. Волкова

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт физики металлов УрО РАН, Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18 e-mail: А.У1а^ттуШтр.ыгап.гы Поступила в редакцию 22.10.2013 г.

Исследованы состав, структура и свойства пленок, полученных совместным осаждением титана и углерода. Установлено, что пленки состоят из аморфной углеродной матрицы с равномерно распределенными в ней наноразмерными частицами (не более 20 нм) карбида титана. С ростом концентрации углерода выше 20 вес. % наблюдается уменьшение плотности и рост микротвердости пленок, что отражает алмазоподобную природу аморфной компоненты композитной пленки.

Б01: 10.7868/80044185615020199

ВВЕДЕНИЕ

В последнее время отмечается повышенный интерес к твердым наноструктурным покрытиям, получаемым вакуумным осаждением из плазмы [1, 2]. Характерной особенностью таких покрытий является малый (не больше десятков нанометров) размер кристаллитов. Значительное увеличение объемной доли границ раздела в таких покрытиях приводит к повышению их физико-механических свойств, например, твердости, износостойкости, окислительной и термической стойкости, уменьшению коэффициентов трения.

Исследования в области многокомпонентных нанокомпозитных покрытий показали, что влияние размера частиц и структуры на формирование повышенных механических свойств проявляется вследствие торможения пластической деформации из-за "закрепления" дислокаций на границах нано-доменов, подавления межзеренного проскальзывания, препятствия к увеличению размеров нанозе-рен вследствие адсорбции или образования нитридов, карбидов в области их границ.

Наиболее полно и подробно исследованы многокомпонентные нанокомпозитные покрытия на основе нитрида титана. Установлено, что легирование нитридных покрытий нерастворимыми в равновесных условиях элементами (А1, 81, В, N1 и другими) приводит к существенному изменению структуры и физико-механических свойств покрытий. Такие изменения вызваны сегрегацией примеси на границах зерен при формировании зернограничной фазы. Предполагается, что высокие прочностные свойства нанокомпозитов связаны с подавлением зернограничного про-

скальзывания из-за ограниченного распространения зародышевых трещин и дислокаций.

Менее изученными являются нанокомпозитные покрытия, содержащие углерод в виде алмазопо-добной фазы. Примером таких покрытий являются покрытия типа титан-углерод, содержащие в своем составе углерод в виде алмазоподобной фазы с разной объемной концентрацией. Известно, что чистые углеродные алмазоподобные пленки (1а-С), обладающие комплексом уникальных физико-механических свойств, находят широкое применение для полезной модификации поверхности изделий различного функционального назначения [3—5]. Однако эти пленки имеют недостатки, основными из которых являются низкая термическая стойкость, высокие внутренние напряжения и, как следствие, низкий уровень адгезии к материалу подложки [6—8]. Как было установлено ранее [9], разрушение алмазоподобного покрытия идет по пути образования на их поверхности трещин, которые затем распространяются вглубь покрытия до подложки. При достижении трещиной плоскости покрытие — подложка происходит отслоение фрагмента покрытия. Исходя из этой модели, износостойкость покрытия определяется временем достижения системой трещин плоскости раздела. Однако распространение трещин можно затормозить путем создания нанокомпо-зитных структур с развитой системой границ зерен, либо напылением многопленочных систем с чередованием твердого алмазоподобного углерода и пластичного металлического слоя, который способствует релаксации внутренних напряжений и, соответственно, оказывает влияние на ме-

ханические свойства [10]. Поэтому, представляет интерес получение нанокомпозитных пленок при одновременном осаждении титана и углерода из дуговой плазмы. При таком способе осаждения в состав пленки входит алмазоподобная структурная компонента. В настоящей работе приведены результаты получения и исследования физико-механических свойств таких нанокомпозитных систем.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Напыление пленок проводили на установке УВНИИПА-1-001. Установка позволяет в одном вакуумном цикле проводить ионную очистку поверхности изделий, осаждение металлического слоя, а также напыление 1а-С пленок импульсным дуговым распылением графитовой мишени. Нанокомпозитные пленки получали совместным осаждением титана и углерода. При этом титановую мишень распыляли дуговым способом при постоянном токе дугового источника, а графитовую — импульсно-дуговым при разной частоте прохождения импульсов (Г = (1—25) Гц).

В качестве подложек для напыления пленок использовали инструментальную сталь Р6М5, медную фольгу и полоски из вольфрама. Образцы крепились на массивном медном держателе, который обеспечивал теплоотвод. Для соблюдения геометрии напыления положение держателя не менялось.

Стабильность работы углеродного источника при разных частотах контролировалась по оценке массовой скорости напыления углерода на один импульс. Для этого пленка осаждалась на медную фольгу площадью не менее 100 см2, которая предварительно взвешивалась на аналитических весах. Вес пленки определялся по разнице между весом фольги с пленкой и весом исходной фольги, используемой в качестве подложки.

Структура пленок исследовалась на просвечивающем электронном микроскопе JEM-200-CX. Пленки толщиной ~50 нм наносили на подложки из медной фольги. Для отслоения пленки от подложки образцы выдерживали в течение суток в дистиллированной воде, затем 10 минут кипятили, после чего удаляли подложку путем травления в азотной кислоте. Отслоившуюся пленку помещали на медную сеточку.

Состав покрытий определяли на сканирующем электронном микроскопе Quanta-200 с приставкой EDAX. Для этого пленки толщиной ~1 мкм наносили на медные подложки, предварительно аттестованные на присутствие примесей. Спектры снимали при разных увеличениях (х100, х500, х2000) и с разной площади сканирования. Наблюдалось количественное совпадение

(в пределах ±5%) значений концентраций титана и углерода.

Микротвердость покрытий (подложка — сталь R6M5) определяли на ПМТ-3 при нагрузках от 0.05 до 0.2 Н.

Для оценки плотности пленок определялись их вес и толщина. Толщина пленок измерялась методом сканирующей электронной микроскопии на изломах вольфрамовых полосок-свидетелей, которые помещались в каждое напыление. Для определения веса пленку осаждали на предварительно взвешенную медную фольгу площадью не менее 100 см2.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

При одновременной работе углеродного и титанового источников скорость напыления углерода в интервале частот от 1 до 25 Гц составила (1.1—1.4) х 10-8 г/см2 с, что несколько ниже скорости напыления углерода при работе только углеродного источника (~2.9 х 10-8 г/см2 с). В то же время, массовая скорость осаждения титана при одновременном осаждении с углеродом оказалась выше, чем при работе только титанового источника (~1.41 х 10-7 г/см2 с). При этом она возрастала с ростом частоты импульсов углеродного источника от 1.94 х 10-7 г/см2 с (Г= 1 Гц) до 6.23 х 10-7 г/см2 с (Г = 15 Гц). Снижение скорости осаждения углерода, вероятнее всего, связано с рассеянием ионов углерода в титановом потоке. Изменение же массовой скорости осаждения титана можно объяснить захватом ионов титана ионами углерода. С ростом частоты увеличивается количество ионов углерода в плазменном потоке и, соответственно, большее количество ионов титана захватывается ионами углерода, что сопровождается ростом массовой скорости осаждения титана с ростом частоты. Таким образом, следовало ожидать изменения концентрации углерода в (Т + С) пленках, напыленных при разных частотах.

На рис. 1 приведена зависимость весовой концентрации углерода (сС) от частоты импульсов для (Т + С) пленок. Как видно из рис. 1, весовая концентрация углерода практически линейно меняется с увеличением частоты импульсов углеродного источника, что свидетельствует о стабильности его работы.

На рис. 2а, 2б приведены темнопольные изображения структуры и дифракционные картины для пленок с различным содержанием углерода (19 и 53 вес. %). При концентрации углерода менее 20 вес. % в пленках наряду с частицами титана присутствуют кристаллические частицы карбида титана (НС) размером менее 20 нм, которые дают наиболее четкие рефлексы на картине дифракции. Увеличение контраста на кольцах в опреде-

182

ВЛАДИМИРОВ и др.

25

я 20

1-4

15

10

и

св Н о Н О

св &

10

20

30

40

50

Весовая концентрация углерода, %

Рис. 1. Зависимость концентрации углерода в пленках от частоты импульсов.

Рис. 2. Темнопольные изображения структуры и картины микродифракции пленок с различным содержанием углерода: (а) 19 вес. %, (б) 53 вес. %.

а н а т и т а

ида

ю

р

а к я л

о д

я а н

%

е

£ ю

О

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

Т1С

1 /

но при содержании углерода 53 вес. % (рис. 2б). Следует отметить, что пленка содержит как аморфную углеродную составляющую, так и частицы карбида титана.

Таким образом, во всем диапазоне концентраций углерода структура пленок представляет собой нанокомпозит с размером кристаллических частиц не более 20 нм.

На основе диаграммы состояния системы углерод—титан в предположении, что в ней имеется одна карбидная фаза Т1С при 20% весовом содержании углерода, можно найти соотношение объемов фаз в композите (Т1С + 1а-С) в зависимости от весовой концентрации углерода сС:

^ _рт1с 1 - 5сс

V т1с

^а-с

рт1

5сг

при сС < 0.2,

рт1с сс - °.2

V

т1с

Р1а-с

1 - Сс

при с > 0.2.

(1)

(2)

Тогда объемная доля карбида титана сТ1С в нано-композите будет:

СТ1С

V

т1с _

1

(3)

0 20 40 60 80 100 Весовая концентрация углерода, %

Рис. 3. Зависимость объемной доли карбида титана в пленках от концентрации углерода

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком