Wieloskalowa analiza mechanizmu zużycia wielowarstwowych powłok na bazie tytanu i węgla

• Autorzy: Major Ł. , Lackner J. M. , Major B.

Warianty tytułu

EN

Multiscaled analysis of wear mechanism of titanium and carbon basis multilayer coatings

• Języki publikacji: EN PL

Abstrakty

EN

The wear mechanisms of Ti/TiN and (TiN/Ti/a-C:H) multilayer coatings were investigated. Ti/TiN and (TiN/Ti/a-C:H) multilayer coatings were deposited on austenitic stainless steel (316L) using the hybrid PLD (Pulsed Laser Deposition + magnetron sputtering) equipped with high purity titanium target (99.9% at. Ti) and carbon target. Microstructure was analyzed on thin foils prepared using the FEI Dual BeamTM FIB system equipped with an Omniprobe lift-out technique. Foils were cut perpendicularly both to coating surface and wear path. The microstructure observations were performed using TECNAI F20 SuperTWIN (200kV) transmission electron microscope. The wear mechanism of the multilayer coating was realized through brittle cracking of ceramic layers and plastic deformation of metallic ones. Optimization of layer thickness and modulation was performed by application of advanced deposition and diagnostic methods. Switching from mono- to multi-layered coatings allows changing the mechanism of wear from through-coating cracking leading to catastrophic delamination to more gradual layer-by-layer coating removal. The farther wear decrease should be sought at lower multilayer period. Design and fabrication of Ti/TiN and (TiN/Ti/a-C:H) multilayer coatings revealing an improved behavior in service systems subjected to wearing.

PL

Przedmiotem badań wieloskalowej analizy mechanizmu zużycia były efekty niszczenia mikrostruktury wielowarstwowych powłok typu: Ti/TiN oraz TiN/Ti/a-C:H. Powłoki uzyskano na austenitycznej stali nierdzewnej przy użyciu hybrydowej metody osadzania laserem impulsowym (PLD+magnetron). Mikrostrukturę powłoki składającej się z bi-warstw o grubości rzędu 10 nm charakteryzowano z zastosowaniem transmisyjnego mikroskopu elektronowego Tecnai F20 (200kV) FEG. Fazowa i chemiczna analiza składu przeprowadzona została metodą EDS z dyspersją energii (rentgenowska spektroskopia) i w oparciu o obrazy dyfrakcji elektronów. Odporność na uszkodzenia powłoki badano diamentową kulkę siłą 1N przyłożonego obciążenia. Cienkie folie zostały przygotowane bezpośrednio ze ścieżki zużycie z zastosowaniem skupionej wiązki jonów metodą FIB z wykorzystaniem aparatury QUANTA 200 3D DualBeam. Wielowarstwowe powłoki charakteryzowały się mikrostrukturą z dużą ilością dyslokacji w warstwie TiN, podobnie jak w powłoce monowarstwowej TiN. W przypadku powłoki węglowej a-C:H warstwa była amorficzna. Po teście mechanicznym zużycia metodą kula-dysk, stosując kulkę Al2O3, wielowarstwowa powłoka TiN/Ti/a-C:H była silnie zdeformowana. Ceramiczne powłoki TiN oraz a-C:H wykazywały kruche pęknięcia, zaś bardzo cienkie warstwy metaliczne Ti, wytworzone na każdej granicy fazowej, zostały odkształcone plastycznie. Linie deformacji propagowały się pod kątem 45o do kierunek wzrostu krystalitów. Zużycie tribologiczne krystalicznych warstw TiN spowodowało pęknięcia wzdłuż płaszczyzn {111}. Obecność fazy metalicznej prowadziła do wzrostu oporności na pęknięcia i zwiększała koszt energetyczny propagacji pęknięć.

Słowa kluczowe

EN

multilayer coatings; microstructure; diagnostics; wear mechanism

PL

powłoki wielowarstwowe; mikrostruktura; diagnostyka; mechanizm zużycia

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Obróbki Plastycznej
• Czasopismo: Obróbka Plastyczna Metali
• Rocznik: 2014
• Tom: T. 25, nr 1
• Strony: 27--38
• Opis fizyczny: Bibliogr. 8 poz., rys.

Twórcy

autor

Major Ł.

• Instytut Metalurgii i Inżynierii Materiałowej PAN, Kraków

autor

Lackner J. M.

• JOANNEUM RESEARCH Forschungs-GmbH, MATERIALS – Functional Surfaces, Leoben, Austria

autor

Major B.

• JOANNEUM RESEARCH Forschungs-GmbH, MATERIALS – Functional Surfaces, Leoben, Austria

Bibliografia

• [1] Bunshah R.F. : Handbook of Hard Coatings. NP, New Jersey, USA 2001.
• [2] Rickerby D.S., Matthews A.: Advanced Surface Coatings. Handbook of Surface Engineering. Chapman and Hall N.Y., USA 1991.
• [3] Kumar V., Bergman A.A., Gorokhovsky A.A., Zaitsev A.M.: Formation of carbon nanofilms on diamond for all-carbon based temperature and chemical sensor application. Carbon nr 49 (2011) s. 1385–1394.
• [4] Li Chen S.Q., Wang S.Z., Zhou Jia Li, Zhang Y.Z.: Microstructure and mechanical properties of Ti(C,N) and TiN/Ti(C,N) multilayer PVD coatings. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials nr 26 (2008) s. 456–460.
• [5] Stueber M., Holleck H., Leiste H., Seemann K., Ulrich S., Ziebert C.: Concept for the design of advanced nanoscale PVD multilayer protective thin films. Journal of Alloys and Compounds nr 483 (2009) s. 321–333.
• [6] Major Ł., Kot M., Lackner J.M.: The effect of metallic inter-layers on multilayer ceramic/metal coatings properties. Materials Science nr 3 (175) (2010) s. 445–448.
• [7] Major Ł., Morgiel J.: TEM analysis of wear of Ti/TiN multi-layer coatings in ball-on-disc test. Key Engineering Materials nr 409(2009) s. 123–127.
• [8] Lackner J.M.: Industrially-scaled hybrid Pulsed Laser Deposition at Room Temperature. Kraków 2005.