Структура та фізико-механічні властивості композитних покриттів на основі ZrN/CrN

Abstract

Дисертаційна робота присвячена встановленню взаємозв’язку структури, хімічного складу та напруженого стану з термодинамічними і механічними властивостями композитних покриттів на основі ZrN/CrN. Електронографічні дослідження експериментальних покриттів свідчать про формування двофазного стану, який відповідає ГЦК-ZrN та дуплету ГЩП- Cr2N + ГЦК-CrN. З’ясовано, що основними дефектами кристалічної будови покриттів є повні та часткові дислокації і дефекти пакування. Уперше проведене дослідження впливу процесу високотемпературного відпалу на структурно- фазовий стан покриттів ZrN/CrN показало, що в залежності від потенціалу зміщення на підкладці у композитах можливі два види теплових реакцій: екзо- та ендотермічна. Досліджувані покриття у вихідному стані перебувають під напруженнями розтягнення та стискання, величина яких залежить від концентрації азоту в покритті та середнього розміру зерна. Багатошарові покриття ZrN/CrN характеризуються високими механічними властивостями, зокрема, нанотвердістю до 26,8 ГПа, модулем пружності до 315 ГПа, пружним відновленням до 0,31 та індексом в’язкопластичності до 0,085. Введення металевих шарів (Cr/Zr) сприяє підвищенню механічних властивостей покриттів: твердості до 34 ГПа, модуля пружності до 330 ГПа.

Диссертация посвящена установлению взаимосвязи структуры, химического состава и напряженного состояния с термодинамическими и механическими свойствами композитных покрытий на основе ZrN/CrN. Электронографические исследования экспериментальных покрытий свидетельствуют о формировании двухфазного состояния, которое соответствует ГЦК-ZrN и дуплета ГПУ-Cr2N + ГЦК-CrN. Установлено, что основными дефектами кристаллического строения покрытий являются полные и частичные дислокации и дефекты упаковки. Впервые проведено исследование влияния процесса высокотемпературного отжига на структурно-фазовое состояние покрытий ZrN/CrN показало, что в зависимости от потенциала смещения подложки в композитах возможны два вида тепловых реакций: экзо и эндотермическая. Исследуемые покрытия в исходном состоянии находятся под напряжениями растяжения и сжатия, величина которых зависит от концентрации азота в покрытии и среднего размера зерна. Многослойные покрытия ZrN/CrN характеризуются высокими механическими свойствами, в частности, нанотвердистью до 26,8 ГПа, модуль упругости до 315 ГПа, пружным восстановлением до 0,31 и индексом вьязкопластичности до 0,085. Введение металлических слоев (Cr/Zr) способствует повышению механических свойств покрытий: твердости до 34 ГПа, модуля упругости до 330 ГПа.

The thesis is devoted to the establishment of the relation between structure, chemical composition and stress state with thermodynamic and mechanical properties of composite coatings based on ZrN/CrN. The SAED studies of experimental coatings indicate the formation of a two-phase state, which corresponds to fcc-ZrN and doublet hcp-Cr2N + fcc-CrN. It has been established that the main defects in the crystal structure of the coatings are complete and partial dislocations and packing faults. The study of the effect of high-temperature annealing on the structural phase state of ZrN/CrN coatings was carried out for the first time, and it was shown that, depending on the bias potential, two types of thermal reactions were possible in composites: exothermic and endothermic. The studied coatings in the initial state were under tension and compression stresses, the value of which depends on the nitrogen concentration in the coating and the average grain size. Multilayer coatings ZrN/CrN are characterized by high mechanical properties, in particular, the nanohardness up to 26.8 GPa, the modulus of elasticity up to 315 GPa, elastic recovery up to 0.31and the viscosity-plastic index up to 0.085. The introduction of metal layers (Cr/Zr) increases the mechanical properties of the coatings: hardness up to 34 GPa, elastic modulus up to 330 GPa.