Supertwarde warstwy W-B i W-Ti-B osadzane z tarcz spiekanych metodą SPS

• Autorzy: Psiuk Rafał , Słomińska Hanna , Hoffman Jacek , Mościcki Tomasz

Warianty tytułu

EN

Super-hard films W-B and W-Ti-B deposited from targets sintered by SPS method

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

Z rosnącym zapotrzebowaniem na niezawodne, a jednocześnie zapewniające dużą wydajność, narzędzia do skrawania i obróbki plastycznej, coraz większego znaczenia nabiera rozszerzająca się grupa supertwardych ceramik przewodzących prąd. Mate-riały te dobrze rokują w związku z rozwiązaniem problemów tradycyjnych materiałów narzędziowych, których niedoskonałości obejmują wysoką cenę (azotek krzemu, azotek boru), niezdolność do cięcia stopów żelaza w wyniku reakcji chemicznych (diament), niestabilność w obecności wilgoci (azotek boru) i względnie małą twardość (węglik wolframu). Również rosnący popyt na powłoki ochronne o wysokiej twardości, o dob-rych właściwościach sprężystych i stabilności termicznej powoduje, że badania nad nowymi systemami materiałowymi prowadzone są coraz intensywniej. Pomimo że azotki metali przejściowych są już z powodzeniem stosowane do różnych zadań w prze-myśle samochodowym i lotniczym, poszukiwanie ulepszonych materiałów jest tematem wciąż aktualnym. W pracy przedstawiono badania nad osadzaniem cienkich powłok z nowych supertwardych materiałów (SHM), którymi są borki wolframu. Dodatkowo zbadano wpływ domieszkowania tych materiałów tytanem. Warstwy osadzane były metodą ablacji laserowej PLD. Tarcze do osadzania zsyntetyzowane zostały metodą spiekania plazmowego SPS proszków boru i wolframu o stosunku atomów 4,5 do 1. Osadzane z użyciem lasera warstwy mają skład stechiometryczny podobny do użytych tarcz. W warstwach tych dominuje faza WB3. Badania przeprowadzone z użyciem SEM, XRD i nanoindentacji wykazały, że skład fazowy tarcz jest odwzorowany w war-stwach osadzonych laserem. Wszystkie uzyskane warstwy są bardzo twarde i stabilne termicznie. Warstwy osadzane laserem odznaczają się dużą chropowatością. Domiesz-kowanie tytanem zwiększa ilość fazy WB3 w spiekanych tarczach i osadzanych war-stwach oraz zmniejsza ilość i wielkość naniesionych na powierzchnię cząstek.

EN

With increasing demand for high-performance and long-lasting cutting and forming tools, the members of this expanding class of superhard metals hold promise to address the shortcomings of traditional tool materials. Those shortcoming include their high cost (silicon nitride, cubic boron nitride, and diamond), their inability to cut ferrous metals due to chemical reactions (diamond), instability in the presence of humidity (cubic boron nitride) and relatively low hardness (tungsten carbide). Also the increasing industrial demand for protective coatings with high hardness, good elastic properties and thermal stability calls for the investigation of new material systems. Although transition metal (TM) nitrides are successfully applied for different tasks in automotive or aero-space industries, the search for improved materials is an ongoing topic, being far from its end. In this work the study on deposition of thin films made of new super-hard materials (SHM) such as tungsten boride are presented. Additionally, the influence of doping by titanium of those materials is investigated. Investigated films were deposited by the pul-sed laser deposition method. The used targets were synthetized by SPS method. The powders of boron and tungsten in 4.5 to 1 molar faction were used. The films deposited by PLD method have stoichiometric composition such as used targets. The WB2 and WB3 phase are dominant. Research carried out using SEM, XRD and nanoindentation test showed that the phase composition of the targets is more important in the case of laser deposition than magnetron. All obtained layers are very hard and thermally stable. In the case of magnetron sputtering, smooth layers were obtained while the layers depo-sited by the laser have a very high roughness. Titanium doping increases the amount of WB3 phase in the sintered discs, while it has no significant effect on the properties of the deposited layers.

Słowa kluczowe

PL

ablacja laserowa; borki wolframu domieszkowane tytanem; spiekanie plazmowe

EN

laser ablation; tungsten borides doped titanium; plasma sintering

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Obróbki Plastycznej
• Czasopismo: Obróbka Plastyczna Metali
• Rocznik: 2019
• Tom: T. 30, nr 2
• Strony: 107--120
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Psiuk Rafał

• Instytut Podstawowych Problemów Techniki Polskiej Akademii Nauk, ul. Pawińskiego 5B, 02-106 Warszawa, Poland

autor

Słomińska Hanna

• Instytut Podstawowych Problemów Techniki Polskiej Akademii Nauk, ul. Pawińskiego 5B, 02-106 Warszawa, Poland

autor

Hoffman Jacek

• Instytut Podstawowych Problemów Techniki Polskiej Akademii Nauk, ul. Pawińskiego 5B, 02-106 Warszawa, Poland

autor

Mościcki Tomasz

• Instytut Podstawowych Problemów Techniki Polskiej Akademii Nauk, ul. Pawińskiego 5B, 02-106 Warszawa, Poland

Bibliografia

• [1] Bobzin Kirsten. 2017. „High-performance coatings for cutting tools,” CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology 18: 1–9.
• [2] Bobzin K., N. Bagcivan, M. Ewering, C. Warnke. 2009. „Investigations on Nanolaminated TiZrN/CrN as a Tribological PVD Hard Coating for Incremental Sheet Forming Tools”. Advanced Engineering Materials 11 (8): 674–679.
• [3] Wysiecki M. 1997. Nowoczesne materiały narzędziowe. Warszawa: Wydawnictwo Naukowo Techniczne.
• [4] Cetin B., H. Kaplan, G. Durkaya. 2015. „A New Generation, Promising Engineering Material: Cubic Boron Nitride (c-BN)”. Hittite Journal of Science and Engineering 2 (1): 85–90.
• [5] Möller J., D. Reiche, M. Bobeth, W. Pompe. 2002. „Observation of boron nitride thin film delamination due to humidity”. Surface and Coatings Technology 150: 8–14.
• [6] Chung H.-Y., M.B. Weinberger, J.B. Levine, A. Kavner, J.-M. Yang, S.H. Tolbert, R.B. Kaner. 2007.„Synthesis of Ultra-Incompressible Superhard Rhenium Diboride at Ambient Pressure”. Science 316 (5823): 436–439.
• [7] Subramanian C., T.S.R.Ch. Murthy, A.K. Suri. 2007. „Synthesis and consolidation of titanium diboride”.International Journal of Refractory Metals & Hard Materials 25: 345–350.
• [8] Mościcki T., J. Radziejewska, J. Hoffman, J. Chrzanowska, N. Levintant-Zayonts, D. Garbiec, Z. Szymański. 2015. „WB2 to WB3 phase change during reactive spark plasma sintering and pulsed laser ablation/deposition processes”. Ceramics International 41: 8273–8281.
• [9] Chrzanowska-Giżyńska J., P. Denis, J. Hoffman, M. Giżyński, T. Moscicki, D. Garbiec, Z. Szymański. 2018. „Tungsten borides layers deposited by a nanosecond laser pulse”. Surface & Coatings Technology 335: 181–187.
• [10] Akopov G., L.E. Pangilinan, R. Mohammadi, R.B.Kaner. 2018. „Perspective: Superhard metal borides: A look forward”. Applied Materials 6.
• [11] Akopov G., M. Yeung T., C.L. Turner, R. Mohammadi, R. B. Kaner. 2016. „Extrinsic Hardening of Superhard Tungsten Tetraboride Alloys with Group 4 Transition Metals”. Journal of the American Chemical Society 138: 5714–5721.
• [12] Euchner H., P.H. Mayrhofer. 2015. „Designing thin film materials — Ternary borides from first principles”. Thin Solid Films 583: 46–49.
• [13] Garbiec D., R. Tomasz, F. Heyduk, M. Janczak. 2011. „Nowoczesne urządzenie do iskrowego spiekania plazmowego proszków SPS HP D 25 w Instytucie Obróbki Plastycznej”. Obróbka Plastyczna Metali XXII (3): 221–225.
• [14] Smith H.M., A.F. Turner. 1965. „Vacuum Deposited Thin Films Using a Ruby Laser”. Applied Optics 4 (1): 147–148.
• [15] Dijkkamp D., T. Venkatesan. 1987. „Preparation of Y‐Ba‐Cu oxide superconductor thin films using pulsed laser evaporation from high Tc bulk material”. Applied Physics Letters 51 (8): 619–621.
• [16] Greer J.A. 2014. „History and current status of commercial pulsed laser deposition equipment”. Journal of Phsyics D: Applied Physiscs 47 (3).
• [17] Lille H., A. Ryabchikov, E. Adoberg, L. Kurissoo, P. Peetsalu, L. Lind. 2016. „Evaluation of Residual Stresses in PVD Coatings by Means of the Curvature Method of Plate”. Key Engineering Materials 721: 404–408.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).