Вплив умов формування та терморадіаційної обробки на структуру й властивості покриттів систем Ti-W-C і Ti-W-B

Abstract

Дисертація присвячена питанням структурної інженерії іонно-плазмових покриттів систем Ti-W-C і Ti-W-B. У роботі проведені систематичні комплексні дослідження процесів утворення структури, фазового складу, субструктурних характеристик, напружено-деформованого стану та їх впливу на фізико-механічні властивості в залежності від параметрів осадження, посконденсаційного відпалу та радіаційної дії при опроміненні покриттів прискореними іонами. Визначені умови формування аморфноподібного структурного стану і росту стовпчастої структури з анізомірними кристалітами; режими осадження, які забезпечують однофазний стан або розшарування твердого розчину з виділенням нижчої за елементом проникнення фази. Установлено, що виділення другої фази зумовлює диспергування й ріст мікродеформації внаслідок невідповідності кристалічних решіток. Формування нижчих фаз стимулюється збільшенням відносного вмісту атомів W із низькою теплотою утворення монокарбідів і диборидів. На основі даних структурного аналізу при використанні схем зйомок із двома взаємно перпендикулярними дифракційними векторами обґрунтована модель росту іонно-плазмових покриттів із переважним збільшенням розміру кристалітів вздовж осі росту у міру збільшення товщини покриттів, які знаходяться під дією напружень стиснення. У практичному значенні результати дисертаційної роботи дозволили одержати надтверді покриття з високою адгезійною міцністю, стійкістю до термічної і радіаційної дій та обґрунтувати підвищення функціональних властивостей матеріалу за рахунок атомного упорядкування та зміни фазово-структурного та субструктурного станів у захисних іонно-плазмових покриттях квазібінарних диборидів та монокарбідів.

Диссертация посвящена вопросам структурной инженерии ионно-плазменных покрытий систем Ti-W-C и Ti-W-B. Проведены систематические исследования влияния состава распыляемой мишени, температуры подложки при осаждении, типа подложки, температуры отжига и радиационного воздействия при облучении протонами с энергией 200 кэВ на морфологию роста, фазовый состав, структуру, субструктуру, напряжено-деформированное состояние, твердость, модуль упругости, коэффициент трения и абразивную стойкость конденсатов. Определены условия формирования аморфноподобного структурного состояния и роста столбчатой структуры с анизомерными кристаллитами; режимы осаждения, обеспечивающие однофазное состояние или расслоение твердого раствора с выделением низшей по элементу внедрения фазы. Установлено, что выделение второй фазы приводит к диспергированию и росту микродеформации вследствие несоответствия кристаллических решеток. Формирование низших фаз стимулируется увеличением относительного содержания атомов W с низкой теплотой образования монокарбидов и диборидов. Установлено, что наиболее неустойчивыми к высокотемпературному постконденсационному отжигу являются низшие по элементу внедрения фазы в двухфазных покрытиях, в то время как однофазные (Ti,W)C покрытия в монокарбидах или (Ti,W)B2 покрытия в диборидах являются устойчивыми по своим структурным и субструктурным характеристикам как к высокотемпературному отжигу, так и к высокодозному облучению (6,5·1017 см–2) протонами с энергией 200 кэВ. При этом в триаде фазовый состав – структура (субструктура) – напряженно-деформированное состояние существенные изменения происходят только в последнем, уменьшая по абсолютной величине конденсационные напряжения сжатия. В практическом значении результаты диссертационной работы позволили получить сверхтвердые покрытия с высокой адгезионной прочностью, стойкостью к термическому и радиационному. Предложена модель самосогласованного повышения прочности в системе “металлическая подложка – покрытие из твердого раствора на стадии его упорядочения” под действием точечной нагрузки.

The thesis is devoted to structural engineering of Ti-W-C and Ti-W-B system ion-plasma coatings. The systematic complex investigation of processes of forming the structure, phase composition, substruсtural characteristics and stress-strain state has been conducted. Their impact on physical and mechanical properties depending on the deposition parameters, postcondensation annealing and radiation action while irradiating coatings with accelerated ions has been studied. The conditions of amorphous-like structural state formation and growth of columnar structure with anisomeric crystallites, precipitation regimes that provide single-phase state or separation of a solid solution with the release of the phase which is lower as to the interstitial element have been found out. It has been established that the release of the second phase causes dispersion and growth of microstrain due to crystal lattice mismatch. The formation of the lower phases is stimulated by increasing the relative content of W atoms with low heat of forming monocarbides and diborides. On the basis of the structural analysis data that involved filming charts with two mutually perpendicular diffraction vectors the pattern of growth of ion-plasma coatings with a predominant crystallite size increase along the growth axis with the increasing thickness of coatings which are under compression stress has been substantiated. In a practical sense, the results obtained in the work have allowed to get superhard coatings with high adhesion resistance, resistance to heat and radiation actions and to substantiate raising the functional properties of the material owing to the atomic ordering and change of phase-structural and substructural states in ion-plasma protective coatings of quasi-binary diborides and monocarbides.