Введение к работе
Актуальность темы
Прогресс технологий предъявляет все более жесткие требования к повышению качества и надежности конструкционных материалов, способных сопротивляться как динамическим, так и статическим воздействиям различной природы, что, в конечном итоге, должно приводить к значительному увеличению ресурса эксплуатации готовых изделий. Для решения подобных задач существуют разные подходы, одним из которых является модификация поверхности изделий или механизмов, так как именно поверхность всегда подвергается наиболее сложным условиям коррозии и износа, при этом само объемное изделие или деталь могут изготавливаться из обычных конструкционных материалов с невысокими эксплуатационными характеристиками.
В последнее время актуальным направлением модификации поверхности стало создание многокомпонентных наноструктурированных покрытий, в которых рост эксплуатационных характеристик обеспечивается не столько за счет элементного состава покрытия, сколько за счет его морфологии и наноструктури-рованности. Использование наноструктурного состояния, действительно, позволяет достигать высоких значений твердости, однако, несмотря на значительные абсолютные величины, достигнутые, например, в системах на основе карбидов или нитридов титана, существуют проблемы, затрудняющие использование таких покрытий. Это низкая вязкость, слабая в ряде случаев стойкость к термическому окислению, чрезвычайно высокая чувствительность физических свойств к параметрам процесса получения покрытий, сравнительно высокая стоимость покрытий. При нанесении сверхтвердых покрытий возникает серьезная проблема, связанная с несогласованностью коэффициентов термического расширения покрытия и подложки, что требует создания нескольких промежуточных слоев. Подобные минусы известных решений инициируют дальнейшие поиски новых защитных покрытий.
В этом контексте перспективными упрочняющими покрытиями являются покрытия из нанокомпозитов металл-керамика, обеспечивающих сочетание в одном материале преимуществ, которыми обладают керамика (твердость, прочность, химическая инертность, термостойкость и т.п.) и металлические сплавы (пластичность, упругость, широкий интервал значений температурных коэффициентов линейного расширения, теплопроводность и т.п.) по отдельности. Предполагается, что в качестве металлической фазы таких композитов может выступать материал защищаемой поверхности и в таком случае многие проблемы, сопутствующие использованию напыляемых покрытий, будут решены автоматически. В связи с этим существует очевидная потребность в изучении механизмов, определяющих влияние объемного соотношения между фазами, их микроструктуры и возможного химического взаимодействия между ними на механические свойства таких покрытий. Вследствие этого одним из наиболее важных вопросов, возникающих при исследовании нанокомпозитных покрытий металл-керамика, является вопрос о влиянии морфологии композитов на их механические свойства, поскольку для создания новых нанокомпозитов в упрочняющих целях, необходи-
мо не только подобрать определенный элементный состав, но и создать оптимальную морфологию, при которой материал покрытия будет сочетать в себе наилучшие механические свойства. В данной работе проведено исследование влияния морфологии, структуры и элементного состава фаз на характер поведения механических свойств композитов на основе Fe и Со во взаимодействии с различными упрочняющими фазами (А1203, Si02, MgO, CaF2) в зависимости от концентрации сочетаемых фаз.
Тема диссертации соответствует «Перечню приоритетных направлений фундаментальных исследований», утвержденному Президиумом РАН (раздел 1.2- «Физика конденсированного состояния вещества»). Диссертационная работа является частью комплексных исследований, проводимых на кафедре физики твердого тела ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» по плану госбюджетной темы ГБ 2007.23 «Синтез, структура и физические свойства новых конструкционных и функциональных материалов», ГБ 10.23 «Синтез и физические свойства новых материалов твердотельной электроники», ВП 1/09 «Влияние полей различной природы на нелинейные явления в гетерогенных системах с нано- и микроскопическим размером неоднородностей», а также по грантам РФФИ № 09-02-97536-р-центр-а «Наногранулированные композиционные материалы на основе гидридообразующих металлов для хранения водорода», № 09-02-90460-Укр_ф_а «Природа и условия возникновения аномальных магнитных и магнитотранспортных эффектов в нанокомпозитах металл-диэлектрик вблизи порога перколяции».
Цель работы. Установить закономерности влияния структуры на механические свойства нанокомпозитных материалов металл-диэлектрик.
Для достижения указанной цели были сформулированы следующие задачи:
-
Исследовать влияние концентрации металлической фазы на структуру композитов Fex(Al203)ioo-x, (FeCoZr)x(Al203)юо-х, Сох(А12О3)100-х, Cox(SiO2)100-x и Cox(CaF2)10o-x, полученных методом ионно-лучевого распыления.
-
Определить влияние структуры на микротвердость, износостойкость и адгезионную прочность композитных покрытий Fex(Al203)10o-x и (FeCoZr)x(Al2O3)100.x.
-
Исследовать термическую устойчивость и установить влияние термического воздействия на структуру и микротвердость композитных покрытий Fex(Al2O3)100-x и (FeCoZr)x(Al2O3)100-x.
-
Изучить влияние особенностей диэлектрических фаз, формирующих композит, на величину микротвердости покрытий Сох(А1203)10о-х, Cox(Si02)10o-x, и Cox(CaF2)100-x.
Научная новизна
В работе впервые: 1. Обнаружено, что в композитах на основе Fe и Со с диэлектриками А1203 Si02, и CaF2 имеется максимум твердости при 80 ат.% металлической фазы, определяемый морфологическими особенностями композитных покрытий и независящий от структурного состояния фаз.
2. Установлено, что присутствие максимума на концентрационной зависимости
микротвердости композита связано с наличием растворимости металлической
компоненты диэлектрической фазы в металлической фазе композита.
3. Установлено, что изменение микротвердости композиционных покрытий
Fex(Al203)10o-x и (FeCoZr)x(Al203)10o-x при термическом воздействии определя
ется изменением механических свойств металлической фазы.
4. Предложена качественная модель, объясняющая упрочнение композиционно
го материала металл-диэлектрик при концентрации металлической фазы 80
ат. %.
Практическая значимость работы
1. Обнаружен эффект упрочнения металлического материала при введении в
него небольшого количества диэлектрической фазы (15-20 ат. %).
-
Сформулированы критерии, при которых проявляется эффект упрочнения композиционного покрытия, заключающиеся в создании условий для формирования диэлектрической фазы композита при стехиометричном соотношении компонент.
-
Экспериментально определены значения параметров прочностных характеристик наноструктурных покрытий, сформированных из композиционных материалов Fex(Al203)юо-х, (FeCoZr)x(Al203)юо-х,-, Сох(А12О3)ю0-х, Cox(SiO2)i00-x и Cox(CaF2)ioo-x, полученных методом ионно-лучевого напыления.
-
Установлена связь прочностных характеристик с соотношением фаз и их элементным составом для композитов Fex(Al2O3)i00-x, (FeCoZr)x(Al2O3)i00-x,
Сох(А1203)і
оо-х, Cox(Si(D2)ioo-x и Cox(CaF2)ioo-x-
-
Получены термически устойчивые до 550 С композитные покрытия со значениями микротвердости, достигающими 12-14 ГПа.
-
На примере систем Fex(Al2O3)i00-x, (FeCoZr)x(Al2O3)i00-x экспериментально установлено, что износостойкость и адгезионная прочность выше у композитов с аморфной металлической фазой.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту
-
Экспериментальное обнаружение максимума на концентрационной зависимости микротвердости композиционных пленок на основе Fe и Со с диэлектриками А1203, Si02 и CaF2 в районе 80 ат.% металлической фазы.
-
Объяснение максимума микротвердости, наблюдаемого в композитных покрытиях в районе 80 ат. % металлической фазы, изменением механизма деформации при переходе через эту концентрацию.
-
Различный характер изменения микротвердости композиционных покрытий Fex(Al203)юо-х и (FeCoZr)x(Al203)ioo-x при термическом воздействии, обусловленный особенностями структурных изменений металлических фаз этих композитов при нагреве.
-
Закономерность, связывающая появление максимума микротвердости в композитах металл-диэлектрик, связанная с условиями формирования стехио-метрической диэлектрической фазы.
-
Экспериментальное обнаружение влияния структурного состояния фаз композитных покрытий на характеристики их износостойкости.
Апробация работы
Основные результаты работы были представлены на следующих научных конференциях: четвертой международной конференции «Взаимодействие изотопов водорода с конструкционными материалами» (Воронеж, 2010); второй международной научной конференции «Наноструктурные материалы - 2010: Беларусь - Россия - Украина» (Киев, 2010); XXII международной конференции «Релаксационные явления в твердых телах» (Воронеж, 2010); третьем международном форуме по нанотехнологиям, конкурсе научных работ молодых ученых в области нанотехнологий: Rusnanotech 2010 (Москва, 2010); открытой школе-конференции стран СНГ "Ультрамелкозернистые и наноструктурные материалы-2010" (Уфа, 2010); четвертой всероссийской конференции по наноматериалам «НАНО-2011» (Москва, 2011); международной научной конференции ФТТ-2011 (Минск, 2011); третьей всеукраинской конференции молодых ученых «СММТ-2011» (Киев, 2011); международной конференции с элементами научной школы для молодежи «Наноматериалы и нанотехнологий в металлургии и материаловедении» (Белгород, 2011); 51-й научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, сотрудников, аспирантов и студентов ВГТУ (Воронеж, 2011); 52-й научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, сотрудников, аспирантов и студентов ВГТУ (Воронеж, 2012); открытой школе-конференции стран СНГ "Ультрамелкозернистые и наноструктурные материалы-2012" (Уфа, 2012);
Публикации
По теме диссертации опубликованы 16 научных работ, в том числе 6 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1-16] - подготовка к эксперименту, получение экспериментальных данных, анализ экспериментальных данных, обсуждение полученных результатов и подготовка работ к печати.
Структура и объем работы
