Ионно-плазменное наноструктурирование поверхностных слоев высокопрочных сталей и сплавов и нанесение наноструктурных покрытий Сергеев, Виктор Петрович

Введение к работе

Актуальность темы исследований

Современные знания о природе прочности материалов показывают, что структурно-фазовое состояние тонкого поверхностного слоя имеет значительное влияние на износ и разрушение высокопрочных материалов. В этой связи разработка методов ионно-плазменного осаждения покрытий и ионно-пучковой модификации материалов является весьма актуальной. Еще более важными становятся эти методы инженерии поверхности сегодня в связи с резким расширением поля деятельности человека на области с экстремальными условиями эксплуатации техники. Изученные к настоящему времени закономерности структурно-фазовых превращений и связанных с ними изменений свойств материалов при ионной имплантации относятся в основном к воздействию на поверхность одноэлементных ионных пучков. Слабое внимание уделено воздействию многоэлементных пучков и эффекту ионного наноструктурирования поверхностного слоя. При этом основное число установленных закономерностей касается воздействия ионных пучков на чистые металлы. Поведению высокопрочных сталей при ионной имплантации посвящено ограниченное количество работ. Это делает актуальным исследование влияния наноструктурирования меташю-меташюидными ионными пучками поверхностного слоя высокопрочных сталей на их трибомеханические свойства.

В инструментальной промышленности широко применяются ионно- плазменные покрытия с высокой твёрдостью и износостойкостью на основе соединений переходных металлов. Их недостатки - низкие циклическая стойкость и термическая стабильность сдерживают их распространение на другие области промышленного применения. Остается нерешенной проблема согласования структуры покрытия и подложки в области интерфейса. Изучение формирования нанокомпозитных одно- и многослойных, и, в частности, нанослоистых покрытий может стать чрезвычайно перспективным направлением как в фундаментальном аспекте понимания механизма наноструктурирования материалов, так и в прикладном - при разработке покрытий с уникальными механическими характеристиками для промышленного применения. Актуальным в этом направлении является разработка способов наноструктурирования покрытий и подложки путем ионной бомбардировки.

Разработка теплозащитных покрытий, применяемых в авиационно- космической технике, также развивается по пути создания многослойной структуры, состоящей из связующих металлических слоев (CMC) и верхнего керамического слоя (ВКС), наносимыми газотермическими или электроннолучевыми методами. Сегодня изучаются возможности улучшения свойств покрытий путем создания CMC в виде слоистых структур и легирования ВКС. Однако качественный скачок в совершенствовании теплозащитных свойств покрытий и повышении их термоциклической стойкости требует разработки новых подходов и методов нанесения таких покрытий. Кроме того, указанные покрытия удовлетворительно работают на подложках из жаростойких сталей и суперсплавов (детали газотурбинных двигателей), имеющих небольшое отличие в коэффициенте термического расширения (KTP) от CMC. Использование их на подложках из медных сплавов, применяемых для изготовления сопел жидкостных ракетных двигателей, проблематично из-за значительного различия KTP и высокого энергетического воздействия. В настоящее время ведется активный поиск и новых материалов, и методов формирования теплозащитных покрытий, в частности, вакуумных ионноплазменных. В этом направлении, безусловно, актуальным может стать создание принципиально нового подхода в разработке теплозащитных покрытий на основе ионноплазменного формирования термостабильных многофазных наноструктур.

Диссертационная работа выполнена по основному научному направлению Учреждения РАН Института физики прочности и материаловедения СО РАН (ИФПМ СО РАН) «Физическая мезомеханика материалов». Основные научные результаты получены в рамках программ и проектов приоритетного направления «Механика твердого тела, физика и механика деформирования и разрушения, механика композиционных и наноматериалов, трибология» СО РАН, проектов ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» по направлению «Нанотехнологии и наноматериалы» (госконтракты № 02.513.11.3240, № 02.513.12.0019, № 02.513.11.3432), проектов по программам Президиума РАН «Фундаментальные проблемы физики и химии наноразмерных систем и наноматериалов», «Разработка методов получения химических веществ и создание новых материалов», «Теплофизика и механика экстремальных энергетических воздействий и физика сильно сжатого вещества», интеграционных проектов СО РАН, проектов Российского фонда фундаментальных исследований и президентских грантов и проектов по поддержке ведущих научных школ России - школы академика В.Е. Панина.

Целью диссертационной работы является разработка научных основ ионноплазменного формирования наноструктурных поверхностных слоев и многокомпонентных и многослойных покрытий на высокопрочных сталях и специальных сплавах. Для достижения цели работы были поставлены следующие задачи:

1. Разработать методы наноструктурирования поверхностных слоев высокопрочных сталей и сплавов мартенситного и мартенситно-стареющего классов высокоэнергетическими металло-металлоидными ионными пучками с целью улучшения их триботехнических и механических свойств, исследовать структурно-фазовые состояния наноструктуированных поверхностных слоев и выявить механизмы их влияния на свойства, показать возможности практического применения этих методов.

1. Исследовать процессы формирования нанокомпозитных однослойных покрытий на основе нитридов переходных металлов и интер металл идо в при осаждении из многокомпонентного плазменного потока способом магнетронного распыления композиционных мишеней и влияния на них различных методов ионной бомбардировки.

2. Разработать ионно-магнетронные методы получения нанослоистых композиционных покрытий на основе нитридов переходных металлов, изучить влияние режимов осаждения и ионной бомбардировки на их структурно-фазовое состояние и трибомеханические свойства.

3. Разработать структуру и принципы формирования многослойных нанокомпозитных теплозащитных покрытий с высокой термоциклической стойкостью методами ионно-магнетронного напыления.

4. Исследовать термическую стабильность полученных наноструктурных покрытий.

5. Разработать составы, получить ионно-магнетронными методами, исследовать механические свойства и структурно-фазовое состояние и показать возможности практического применения наноструктурных сверхтвердых, износостойких, антифрикционных, термоциклически-стойких покрытий на основе нитридов и оксидов переходных металлов.

6. Разработать экспериментальные устройства и оборудование для наноструктурирования поверхностных слоев сталей и сплавов многоэлементными ионными пучками и ионно-магнетронного нанесения многокомпонентных и многослойных наноструктурных покрытий.

Методы исследования, обоснованность и достоверность результатов

Методы исследований определялась требуемым объемом и достоверностью информации, необходимой для достижения поставленной цели работы и были, в основном, экспериментальными. Морфология и структурно-фазовое состояние поверхностных слоев изучались с помощью просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения, оптической, сканирующей электронной и атомно-силовой микроскопии, химический состав - посредством микрорентгеноспектрального анализа и волновой дисперсионной спектрометрии, концентрационные профили распределения элементов в поверхностных слоях и слоистых покрытиях - методом масс-спектрометрии вторичных ионов. Определение триботехнических и механических характеристик образцов с покрытиями и модифицированными поверхностными слоями выполнялось с помощью современных приборов "NanoHardnessTester" (CSM), "Revetest-RST" (CSM), "Instron 5582" (USA) и др. Термомеханические характеристики покрытий определялась методом ускоренных испытаний термоциклированием с пошаговой цифровой фоторегистрацией морфологии поверхности, теплофизические свойства - методом огневых испытаний на трехфазном плазмотроне мегаваттного класса. Математическое моделирование исследуемых процессов выполнялось методами Монте-Карло и возбудимых клеточных автоматов. Достоверность результатов исследований обеспечивается их систематическим характером, применением комплекса современных экспериментальных методик, сертифицированного оборудования и приборов и подтверждается сопоставлением полученных результатов эксперимента с расчетными и литературными данными. Все полученные в работе результаты статистически обработаны и воспроизводимы, часть научных положений и выводов подтверждена при испытаниях в независимых лабораториях и промышленных предприятиях, часть реализована практически.

Научная новизна диссертационной работы

Развит метод ионно-пучковой модификации материалов в приложении к высокопрочным конструкционным сталям мартенситного и мартенситно- стареющего классов. На основе изучения природы воздействия высокоэнергетических ионных комплексов боридов металлов при температурах до 423К экспериментально установлен эффект ионно-пучкового наноструктурирования поверхностного слоя, приводящий в отличие от традиционных способов упрочнения к одновременному повышению как прочностных, так и пластических свойств этих материалов. В рамках методологии физической мезомеханики показано, что в результате такого воздействия создается поверхностный демпфирующий слой со значительными сжимающими остаточными напряжениями внутри и «шахматным» распределением сжимающих и растягивающих напряжений на интерфейсе. Такой слой, с одной стороны, обладая низкой сдвиговой устойчивостью и большим количеством мелких пространственно распределенных концентраторов напряжений на интерфейсе, облегчает образование дислокаций, повышая пластичность материала. С другой стороны, в силу отсутствия крупных концентраторов напряжений и образования наноструктуры и высоких сжимающих напряжений внутри слоя затрудняет зарождение и распространение микротрещин у внешней и внутренних поверхностей раздела, что задерживает деградацию и предотвращает преждевременный износ и разрушение материала.

На примере систем Ni-Al, Fe-Cr-Ni, Si-Al-N, Ti-Al-N, Ti-C-N, Ti-Cu-N, Ti-Al- Si-N, Fe-Cr-Ni-N, Zr-Y-O развиты методы ионно-магнетронного формирования наноструктуры в покрытиях путем смешивания атомарных потоков разных металлов и установлены основные закономерности ее влияния на трибомеханические свойства. Проведено систематическое изучение процесса наноструктурирования покрытий в условиях воздействия ионных потоков разного типа и состава. Обнаружено и всесторонне исследовано влияние ионного наноструктурирования поверхности подложек на структуру и свойства формируемых на ней многофазных покрытий.

Разработаны и исследованы комбинированные методы получения нанослоистых покрытий с помощью магнетронного распыления композиционных мишеней и послойной обработки конденсатов потоком металлических ионов в едином вакуумном цикле. Установлены особенности формирования структурно- фазовых состояний в этих покрытиях, их взаимосвязь с трибомеханическими свойствами и термическая стабильность.

С позиций физической мезомеханики сформулированы основные принципы конструирования многослойных теплозащитных покрытий с высокой термоциклической стойкостью. Впервые показано с помощью методов математического моделирования и физического материаловедения, что эффективным путем повышения термоциклической стойкости покрытий при оптимальном составе материала слоев является проведение процесса многоуровневого наноструктурирования системы «подложка-покрытие». На основе предложенных принципов выявлены и экспериментально обоснованы закономерности формирования многослойных нанокомпозитных теплозащитных покрытий на медных подложках, кратно превосходящих по термоциклической стойкости известные промышленные образцы таких покрытий.

Научная и практическая ценность

Научная ценность работы определяется полученными новыми знаниями о процессах ионно-пучкового наноструктурирования поверхностных слоев высокопрочных материалов и ионно-магнетронного формирования наноструктурных покрытий, которые могут быть положены в основу дальнейшего развития науки о поверхностных слоях и тонких пленках в физике конденсированного состояния и физическом материаловедении. Разработанные ионно-пучково-плазменные методы наноструктурирования поверхностных слоев материалов и формирования наноструктурных покрытий используются при выполнении фундаментальных и ориентированных исследований в ИФПМ и других институтах СО РАН, Национальных исследовательских Томском политехническом и Томском государственном университетах, Исследовательском Центре им. М.В.Келдыша и др.

Практическая ценность заключается в применении полученных результатов для разработки нового поколения технологий поверхностной обработки и нанесения покрытий с целью создания нового класса высокопрочных материалов с высоким уровнем усталостной долговечности, износостойкости и термоциклической стойкости для применения в авиационно-космической отрасли, ядерной и теплоэнергетике, транспортном и нефтехимическом машиностроении, инструментальной промышленности, медицине, а также для разработки и введения новых разделов в научно-образовательные курсы по физике конденсированного состояния и физическому материаловедению в высших учебных заведениях. На основе полученных результатов созданы и внедрены технологии и оборудование на 10 крупных предприятиях России и Китая (документы приложены к диссертации). В качестве новых примеров могут быть приедены проекты, выполняемые в настоящее время:

1. госконтракт №16.513.11.3030 от 12.04.2011 г. «Разработка ионно- магнетронного метода создания многослойных композиционных покрытий на экспериментальных образцах деталей авиационно-космической техники»,

2. договор №008/10/008-3331 от 03.02.2010 г. «Разработка опытной технологии нанесения специальных покрытий на стекло фонаря» (заказчик ОАО «НАПО им. В.П.Чкалова»),

3. договор №004/10 от 14.01.2010 г. «Разработка технологии нанесения ионно- плазменных покрытий на медицинский инструмент» (заказчик ООО НПП «Сибмединструмент»),

4. договор №73/08 от 02.08.2009 г. «Упрочнение поверхностных слоев элементов конструкций, выполненных из конструкционных сталей и титанового сплава для увеличения усталостных характеристик» (заказчик ОАО «ОКБ Сухой») и др.

Основные положения, выносимые на защиту:

4. 1. Метод ионно-пучкового наноструктурирования высокопрочных сталей, улучшающий комплекс их трибомеханических свойств, и закономерности изменения структурно-фазового состояния во взаимосвязи с трибомеханическими свойствами мартенситных и мартенситно-стареющих сталей при наноструктурировании поверхностных слоев ионными пучками боридов металлов с высокой энергией.

   2. Совокупность экспериментальных данных о структурно-фазовом состоянии и трибомеханических свойствах однослойных нанокомпозитных покрытий на основе нитридов переходных металлов, формируемых путем смешивания атомарных потоков разных металлов и ионной бомбардировки.

   3. Особенности ионно-магнетронного послойного формирования наноструктур и их влияния на трибомеханические свойства в нанослоистых покрытиях на основе Ti-Si-Al-N.

   4. Метод ионного наноструктурирования поверхностного слоя медной подложки и комплекс экспериментальных результатов о влиянии режимов ионно- магнетронного осаждения нанокомпозитных теплозащитных покрытий на основе Zr-Y-O и Si-Al-N на их структурно-фазовый состав и термоциклическую стойкость.

   5. Основные принципы конструирования многослойных теплозащитных покрытий с высокой термоциклической стойкостью на медных подложках.

   Личный вклад автора. Диссертационная работа - результат обобщения многолетних исследований, часть из которых выполнена лично автором, а часть в соавторстве с сотрудниками лаборатории материаловедения покрытий и нанотехнологий и других лабораторий ИФПМ СО РАН. Личный вклад автора состоит в постановке общих и конкретных задач исследований, выборе методов их решения, в анализе и обобщении результатов исследований, формулировке выводов и защищаемых положений. В работах, опубликованных в соавторстве, фамилии которых указаны в списке публикаций, автору принадлежат результаты, сформулированные в защищаемых положениях и выводах диссертации.

   Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались более чем на 50 Международных конференциях и симпозиумах, в т.ч.: по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов (Томск, 1999, 2006, 2008, 2009); по модификации материалов пучками частиц и плазменными потоками (Томск, 1996, 2002, 2004, 2008, 2010); «Пленки и покрытия» (С-Петербург, 1998, 2001); по новым материалам и технологиям (Россия, Байкальск, 1999; КНР, Пекин, 2001); по воздействию плазмы на материалы (КНР, Далянь, 2000); «Новые конструкционные материалы» (Москва, 2000); «Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов» (Украина, Харьков, 2002, 2003); «Физика прочности и пластичности материалов» (Тольятти, 2003, Самара, 2009); «Наука и технология наноструктурированных материалов» (Новосибирск, 2003); «Вакуумные технологии и оборудование» (Украина, Харьков, 2003); «Актуальные проблемы прочности» (Вологда, 2005, Белгород, 2006); по прочности материалов (КНР, Сиань, 2006); по наноматериалам (Новосибирск, 2007, Екатеринбург, 2009); «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» (Москва, 2007, 2009); «Многомасштабное моделирование процессов и структур в нанотехнологиях» (Москва, 2008); «Прикладная синергетика в нанотехнологиях» (Москва, 2008); по стратегическим технологиям (Новосибирск, 2008); «Материалы и покрытия в экстремальных условиях» (Украина, Б. Ялта, 2008); «Фундаментальные и прикладные аспекты воздействия внешних полей на материалы» (Новокузнецк, 2010); «Физика низкоразмерных систем и поверхностей» (Ростов-на-Дону - JIoo, 2010); «Multiscaling of synthetic and natural systems with self-adaptive capability» (Тайвань, Тайбэй, 2010); «Наноструктурные материалы» (Украина, Киев, 2010); «Фазовые превращения и прочность кристаллов» (Черноголовка, 2010); Научной сессии Президиума СО РАН по нанотехнологиям, Новосибирск, 2007 и др.

   Публикации. По теме диссертации опубликовано 107 печатных работ, из них 3 - в монографиях, 42 - в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК, 5 - патенты РФ и 57 - в тематических сборниках статей. Перечень основных публикаций приведен в конце автореферата.

   Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения, приложения на 26 стр., библиографического списка из 325 наименований, всего 539 стр., включая 168 рисунков и 52 таблицы.

   Похожие диссертации на Ионно-плазменное наноструктурирование поверхностных слоев высокопрочных сталей и сплавов и нанесение наноструктурных покрытий

   

   Модифицирование поверхности стали низкоэнергетическим ионным облучением перед нанесением углеродного покрытияКовалева Марина Геннадьевна

   

   Моделирование диффузионно-контролируемых процессов при нанесении кальций-фосфатных покрытий и при их взаимодействии с биологической жидкостьюНазаренко Нелли Николаевна

   

   Взаимодействие водорода с модифицированными слоями и покрытиями, нанесёнными на циркониевый сплав Zr1%Nb и технический титан ВТ1-0Березнеева Екатерина Владимировна

   

   Структурно-фазовые состояния поверхностных слоев никелида титана с покрытиями из молибдена и тантала, полученными магнетронным осаждением и модифицированными ионными пучкамиДементьева Марина Геннадьевна

   

   Исследование закономерностей и механизмов формирования тонких модифицированных слоев в сталях при ионно-плазменном азотированииГазизова Марина Юрьевна

   Влияние макроструктуры упрочненного слоя и профиля границы раздела на характер пластической деформации и разрушения на мезоуровне борированных малоуглеродистых сталейРоманенко Анна Викторовна

   

   Фазовые превращения в дисперсно-упрочняемых оксидами сталях и сплавах при интенсивной пластической деформацииКозлов Кирилл Александрович

   

   Влияние легирования на развитие газовой пористости в ГЦК и ОЦК модельных сплавах и сталях при ионном облученииБинюкова Светлана Юрьевна

   

   Особенности поведения гелия в ОЦК и ГЦК сталях и сплавах в зависимости от химического состава и исходного состоянияМью Хтет Вин

   Динамическая рекристаллизация и механизмы пластической деформации в магниевых сплавах и сталяхКайбышев, Рустам Оскарович