Functional coatings based on Ti-Si-C and Ti-B systems deposited by PLD

• Autorzy: Twardowska A. , Jaworska L. , Mędala M. , Rajchel B.

Identyfikatory

DOI

10.15199/67.2015.6.4

Warianty tytułu

PL

Powłoki funkcjonalne otrzymywane metodą ablacji laserowej w układach Ti-Si-C i Ti-B

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Ti-B/Ti-Si-C bilayer coatings were deposited by pulsed laser deposition method on AISI 316L steel substrates, in vacuum at room temperature. Nanoindentation tests were performed to examine mechanical properties of coated and uncoated samples using diamond indenter of Berkovich-type geometry under load of 5 mN. The friction-wear performance of coated substrates was examined in scratch — test and pin-on-disk configuration under non-lubricated sliding conditions using a diamond Rockwell C-type pin as a counterpart. Chemical bonds in coatings were studied by Raman micro-spectroscopy, while coatings microstructure was examined by atomic force microscopy AFM, scanning electron microscopy SEM and transmission electron microscopy TEM methods. For TEM and high resolution TEM (HRTEM) examinations, thin foils were cut perpendicularly to the substrate surface by focused ion beam FIB method using Ga+ ions. The laser wavelength and energy density of laser beam were the most important parameters of PLD process and proved to be essential for the microstructure and properties of the coatings. The Ti-Si-C layers deposited by PLD method were amorphous or almost amorphous with rarely distributed nanoparticles of TiSi2. Ti-B layers were amorphous or composed by TiB2 nanoparticles (nc-TiB2), embedded in amorphous Ti-B matrix (a-TiB). The friction coefficient of AISI steel substrates coated by Ti-B/Ti-Si-C was 0.22, i.e. one fourth of that for uncoated steel substrate (0.8). The wear mechanism of produced coatings was of abrasive type.

PL

Powłoki dwuwarstwowe Ti-B/Ti-Si-C zostały nałożone metodą ablacji laserowej PLD na p odłoża ze stali A ISI 3 16. Proces prowadzono w próżni 10–2 Pa, w temperaturze pokojowej. Testy nakłucia wykonywano w celu zbadania właściwości mechanicznych powlekanych i niepowlekanych próbek za pomocą wgłębnika diamentowego o geometrii typu Berkovicha pod obciążeniem 5 mN. Właściwości tribologiczne oraz tarciowo-zużyciowe powlekanych podłoży badano w skojarzeniu z diamentem, odpowiednio: w teście rysy i tarciowo-zużyciowym w geometrii trzpień-tarcza. Wiązania chemiczne występujące w powłokach analizowano metodą mikrospektroskopii Ramana. Mikrostrukturę powłok badano przed i po testach nakłucia oraz po teście zużyciowym metodami mikroskopii świetlnej, mikroskopii sił atomowych (AFM) oraz mikroskopii elektronowej: skaningowej (SEM), transmisyjnej (TEM, HRTEM) oraz skaningowo-transmisyjnej (STEM). Dla potrzeb obserwacji TEM oraz wysokorozdzielczych HRTEM, próbki do badań przygotowano w postaci cienkich folii wyciętych metodą trawienia jonowego FIB prostopadle do pokrytej powierzchni. Długość fali promieniowania laserowego oraz gęstość energii wiązki laserowej były najważniejszymi parametrami procesu PLD istotnie wpływającymi na jakość powierzchni i grubość powłok oraz właściwości mechaniczne i tribologiczno-zużyciowe podłoży pokrytych powłoką. Powłoki Ti-B/Ti-Si-C otrzymane metodą PLD były amorficzne lub amorficzno-krystaliczne. Warstwy Ti-Si-C były amorficzne lub niemal amorficzne z nielicznie występującymi nanokrystalitami fazy TiSi2. Warstwy Ti-B były także amorficzne lub amorficzno-krystaliczne, w których nanokrystality fazy TiB2 rozproszone były w amorficznej osnowie TiBx. W skojarzeniu ze diamentem wpółczynnik tarcia podłoży stalowych pokrytych powłoką wynosił średnio 0.22, co jest niemal czterokrotnie niższą wartością w odniesieniu do wartości zmierzonej dla stali AISI 316L bez powłoki (0.8). Zużycie powłok przebiegało mechanizmem ściernym.

Słowa kluczowe

EN

PVD; coating; pulsed laser deposition microstructure; mechanical properties; Raman spectroscopy

PL

metody PVD; powłoka; metoda ablacji laserowej mikrostruktura; właściwości mechaniczne; spektroskopia Ramana

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Rudy i Metale Nieżelazne Recykling
• Rocznik: 2015
• Tom: R. 60, nr 6
• Strony: 275--281
• Opis fizyczny: Bibliogr. 12 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Twardowska A.

• Pedagogical University of Krakow, Institute of Technology, 2 Podchorazych Str, 30-084 Krakow, Poland

autor

Jaworska L.

• Pedagogical University of Krakow, Institute of Technology, 2 Podchorazych Str, 30-084 Krakow, Poland

autor

Mędala M.

• Pedagogical University of Krakow, Institute of Technology, 2 Podchorazych Str, 30-084 Krakow, Poland

autor

Rajchel B.

• The Henryk Niewodniczański Institute of Nuclear Physics, Polish Academy of Sciences, 152 Radzikowskiego Str, 31-342 Krakow, Poland

Bibliografia

• 1. Cahn R. W.: The coming of materials science, Pergamon, Amsterdam 2001.
• 2. Banerjee S., Tyagi A. (ed.): Functional Materials: Preparation. Processing and Applications, Elsevier Inc., 2012.
• 3. Wachtman J. B., Haber R. A.: Ceramic Films and Coatings, Noyes Publications Mill Road, Park Ridge, New Jersey, USA, 1993.
• 4. Eason R.: Pulsed laser deposition of thin films, John Wiley & Sons, Inc. New Jersey, USA 2007.
• 5. Munro R. G.: Materials Properties of Titanium Diboride. Journal of research of the National Institute of Standards and Technology 2000, vol. 105, no. 5, pp.709÷720.
• 6. Grigor’ev O. N., Koroteev A. V., Klimenko A. V., Mayboroda E. E., Prilutskii É. V., Bega N. D.: Fabrication and properties of multilayer ceramics in the SiC – TiB2 system, Refractories and Industrial Ceramics 2000, no. 41, pp.390÷395.
• 7. Berger M., Larsson M.: Mechanical properties of multilayered PVD Ti/TiB2 coatings. Surface Engineering 2000, no. 16, pp. 122÷126.
• 8. Oliver W. C., Pharr G. M.: An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments. Journal of Materials Research 1992, vol. 7, no. 6, pp. 1564÷1583.
• 9. Spanier J. E., Gupta S., Amer M., Barsoum M. W.: Vibrational behavior of the Mn+1AXn phases from first order Raman scattering (M = Ti, V, C, A = Si, X = C, N), Physical Review B71, 2005, pp. 012103.1÷012103-4.
• 10. Baca L., Stelzer N.: Adopting sol-gel process for preparation of TiB2 powder from low cost precursors. Journal of European Ceramic Society 2008, no. 28, pp. 907÷911.
• 11. Musil J., Sklenka J., Prochaska J.: Protective over-layer coating preventing cracking of thin films deposited on flexible substrates. Surface and Coating Technology 2014, vol. 01, no. 240, p. 275
• 12. Twardowska A., Rajchel B., Szutkowska M., Zimowski S.: Tribological behavior of AISI 316L steel after deposition of Ti-Si-C/Ti-B coatings by dual beam IBAD method. Inżynieria Materiałowa 2013, vol. 04, no. 34, pp. 382÷385.