Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время существует много методов нанесения ионноплазменных покрытий, одним из наиболее перспективных является вакуумно-дуговой. Этот метод широко используется, в частности, для нанесения износостойких нитридных покрытий на металлообрабатывающий инструмент. Покрытия получают осаждением из плазмы, генерируемой вакуумно-дуговым испарением в среде азота нитридообразующего металла (например, титана). Покрытия из простых нитридов не обеспечивают необходимого ресурса работы инструмента при высокоскоростном резании труднообрабатываемых материалов современной техники. Введение в состав простых металлических нитридов дополнительных элементов позволяет модифицировать их структуру и, как следствие, способствует повышению механических и трибологических свойств покрытий.
Осаждение покрытий сложного элементного состава наталкивается на трудности, связанные с необходимостью получения однородной многокомпонентной плазмы. Для создания многокомпонентной плазмы чаще всего используют одновременное распыление нескольких катодов (мишеней) различного элементного состава (метод совмещенных пучков) или применяют мозаичные катоды, состоящие из нескольких однокомпонентных частей макроскопических размеров. Эти методы обладают значительными недостатками: усложнение оборудования, сильная пространственная неоднородность элементного состава плазмы, генерируемой из разных источников, различная скорость дуговой эрозии частей мозаичного катода. Для устранения перечисленных недостатков применяют композиционные катоды, произведенные с помощью самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) в многокомпонентных порошковых смесях целевого состава. Недостатком СВС метода является то, что он может быть реализован в ограниченном диапазоне концентраций порошковых компонентов.
Альтернативным методом получения многокомпонентных мишеней из порошковых смесей, лишенным вышеуказанных недостатков СВС, является традиционная порошковая металлургия (смесеприготовление —^холодное формование —^спекание). Спеканием можно получать катоды, содержащие относительно небольшие добавки металлических и неметаллических компонентов, то есть имеющие элементный состав вне концентрационного интервала реализации СВС. Известно, что покрытия на основе нитридообразующих металлов (Ті, Al, Zr и т.д.) с небольшими добавками других элементов (Си, Ag, Si и т.д.) обладают нанокристаллической структурой и сверхвысокой твердостью. Однако спекание порошковых составов, перспективных с точки зрения применения в качестве распыляемых катодов, ранее не исследовалось, так как они не используются в качестве конструкционных, износостойких или функциональных материалов.
В качестве объектов исследования и разработок нами были выбраны системы титан - медь и титан - кремний по той причине, что в (Ti,Cu)N и (Ti,Si)N покрытиях, полученных различными ионноплазменными методами (в основном раздельным распылением титанового, медного и кремниевого катодов), обнаружена нанокристаллическая структура и рекордные значения твердости.
С учетом вышеизложенного целью данной работы является изучение закономерностей формирования структуры при спекании порошковых смесей Ti-Cu, Ti-Si и разработка спеченных катодов для ионно-плазменного нанесения нитридных покрытий.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
Исследовать объемные изменения, микроструктуру и фазовый состав прессовок из порошковых смесей титан - медь и титан - кремний, спеченных при различных технологических режимах.
Определить режимы спекания, которые обеспечивают минимальную пористость и однородную контролируемую структуру материала.
На основе результатов проведенных исследований разработать способ получения порошковых катодов титан-медь и титан-кремний.
Провести сравнительные исследования структуры, фазового и элементного состава и физико-механических свойств покрытий, полученных вакуумно-дуговым испарением разработанных катодов титан - медь и титан - кремний.
Провести испытания металлорежущего инструмента с нанесенными покрытиями.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Впервые исследованы объемные изменения и формирование структуры при спекании в порошковых системах титан-медь и титан-кремний.
Установлен экстремальный характер объемных изменений в зависимости от содержания второго элемента. Установлена связь объемных изменений со структурными превращениями при спекании в вышеуказанных системах.
Обнаружено уменьшение содержания кремния в покрытиях по сравнению с его содержанием в распыляемых катодах. Выявлены технологические параметры процесса, влияющие на степень проявления этого эффекта.
Исследована структура, фазовый и элементный состав и физико-механические свойства покрытий, полученных вакуумно-дуговым испарением спеченных катодов титан - медь и титан - кремний.
Практическая ценность работы состоит в том, что:
Отработаны технологические режимы спекания порошковых смесей титана с медью и кремнием, обеспечивающие минимальную пористость катодных заготовок.
Разработан способ изготовления спеченных катодов, защищенный Российским патентом № 2421844.
Нитридные покрытия, полученные распылением экспериментальных спеченных катодов, имеют наноразмерную структуру и сверхвысокую твердость, сопоставимую со значениями, полученными на ионноплазменых покрытиях близких составов другими методами.
На защиту выносятся следующие научные положения и результаты: 1. Результаты исследования структурных превращений, вызванных ими объемных изменений и разработанные на основе этих результатов рекомендации по условиям смесеприготовления, формования и спекания порошковых композиций титан - медь и титан - кремний, позволяющие получать минимальную пористость и контролируемую структуру спеченных материалов.
Способ получения спеченных катодов Ti-Cu и Ti-Si, включающий составы и технологические режимы спекания катодных материалов титан-медь, титан-кремний и защищенный Российским патентом (№2421844).
Результаты исследования и испытаний вакуумно-дуговых покрытий (Ti,Cu)N и (Ti,Si)N, полученных испарением спеченных катодов в среде азота, содержащих наноразмерные структурные составляющие и имеющих повышенные физико-механические свойства.
Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается применением комплекса современных методов экспериментальных исследований, непротиворечивостью полученных результатов и их согласием с опубликованными данными других исследователей.
Связь с государственными программами и грантами
Работа выполнена в Федеральном государственном учреждении науки Институте физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук в соответствии с планами госбюджетной тематики, а также в рамках выполнения следующих проектов и грантов: Проект РФФИ №05-08-18068-а (2005-2007 гг); Проект РФФИ №06-08-00349-а (2006-2008 гг); Проект РФФИ №08-08-99139 рофи (2008г); Проект РФФИ №09-08-12061 офим (2009-2010); Проект РФФИ №09-08-00349-а (2009-2011 гг); Проект ФЦП «Создание многослойных и градиентных термически стабильных покрытий в едином технологическом цикле» (государственный контракт № 02.513.1.3432, 2008 - 2009 гг.)
Апробация работы и публикации. Материалы диссертации докладывались на следующих конференциях: 7th International conference on modification of materials with particle beam and plasma flows. (25-30 июля 2004 г., г.Томск, Россия); Харьковской нанотехнологической Ассамблеи-2006, 2008 (3-6 октября 2006 г., 26-30 мая 2008 г., г.Харьков, Украина); Международной конференции по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов, (19-22 сентября 2006г., 7-11 сентября 2009г., 5-9 сентября 2011 г., г.Томск, Россия); 8th International conference on modification of materials with particle beam and plasma flows. (10-15 сентября 2006 г., г.Томск, Россия); 8ой Международной конференции «Пленки и покрытия-2007», (22-23 мая 2007 г., С-Петербург, Россия); 7я Международной конференции «Инженерия поверхности и реновация изделий», (29-31 мая 2007г., г.Ялта, Украина); Международной конференции HighMatTech. (15-19 октября 2007г., г.Киев, Украина); Зя международной научно-техническая конференции. «Вакуумная техника, материалы и технология», (19-21 марта 2008г., Москва, Россия); Международном симпозиуме «Инженерия поверхности. Новые порошковые композиционные материалы. Сварка.», (25-27 марта 2009 г., г.Минск, Беларусь); 10th International conference on modification of materials with particle beam and plasma flows. (19-24 сентября 2010г, г.Томск, Россия).
Результаты работы изложены в 20 публикациях, из них 4 - в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях.
Личный вклад соискателя заключается в совместной с научным руководителем постановке целей и задач исследований, написании литературного обзора по теме диссертации, подготовке образцов для исследований, проведении экс-
периментов, обработке полученных результатов, формулировке выводов и положений, выносимых на защиту, написании статей по теме диссертации.
Объем и структура работы
Диссертационная работа объемом 150 страниц состоит из введения, пяти разделов, выводов, списка цитируемой литературы, включающего 126 наименований, и двух приложений. Работа содержит 54 рисунка и 15 таблиц.
