Tailoring of multilayer structure to tribological conditions

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

Warianty tytułu

PL

Dostosowanie wielowarstwowej struktury do warunków tribologicznych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The wear mechanisms of Ti/TiN and (TiN/Ti/a-C:H) multilayer coatings was investigated. 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. Tailoring of layer thickness and modulation was performed to tribological conditions. Switching from mono- to multilayered coatings allows changing the mechanism of wear from throughcoating cracking to more gradual layer-by-layer coating removal. Design and fabrication of Ti/TiN and (TiN/Ti/a-C:H) multilayer coatings revealing an improved behaviour in service systems subjected to wearing.

PL

Analizowano mechanizm tribologicznego zużycia wielowarstwowych powłok na bazie tytanu i węgla typu Ti/TiN oraz (TiN/Ti/a-C:H). Powłoki osadzono na stali austenitycznej 316L z wykorzystaniem metody hybrydowej PLD (osadzanie laserem impulsowym + osadzanie magnetronowe). Do osadzania wykorzystano tarcze z tytanu wysokiej czystości (99,9%) oraz tarcze węglowe (grafit). Mikrostrukturę analizowano na cienkich foliach uzyskanych za pomocą systemu FEI Dual BeamTM FIB z techniką Omniprobe lift-out, Obserwacje mikrostruktury przeprowadzono, wykorzystując transmisyjny mikroskop elektronowy TECNAI F20 SuperTWIN (200kV). Mechanizm zużycia powłok wielowarstwowych był realizowany przez kruche pękanie warstw ceramicznych i plastyczne odkształcenie metalicznych. Dostosowanie grubości warstw i ich modulacji prowadzono w aspekcie zużycia tribologicznego. Przejście z powłok mono- do wielowarstwowych prowadziło do zmiany mechanizmu zużycia z realizowanego na drodze pękania przez powłokę do stopniowego usuwania warstw jedna po drugiej. Zaprojektowanie i wykonanie wielowarstwowych powłok typu Ti/TiN oraz (TiN/Ti/a-C:H) doprowadziło do poprawy właściwości sytemu poddanego zużyciu tribologicznemu.

Słowa kluczowe

EN

multilayer coatings; microstructure; wear mechanism

PL

powłoki wielowarstwowe; mikrostruktura; mechanizm zużycia

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 34, nr 6
• Strony: 741--744
• Opis fizyczny: Bibliogr. 23 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Major Ł.

• Instytut Metalurgii i Inżynierii Materiałowej PAN w Krakowi

autor

Lackner J. M.

• Joanneum Research Forschungs-GmbH, Materials – Functional Surfaces, Leoben, Austria

autor

Major B.

• Instytut Metalurgii i Inżynierii Materiałowej PAN w Krakowi

Bibliografia

• [1] Bayer R. G.: Mechanical wear: fundamentals and testing. Marcel Dekker Inc.: New York, NY (2004).
• [2] Wright T. M., Goodman S. B. eds.: Implant wear in total joint replacement: clinical and biologic issues. Matarial and Design Consideration, American Academy of Orthopaedic Surgeons: Rosemont, IL (2001).
• [3] Li Chen, Wang S. Q., Zhou S. Z., Jia Li, Zhang Y. Z.: Microstructure and mechanical properties of Ti(C, dN) and TiN/Ti(C, N) multilayer PVD coatings. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials 26 (2008) 456÷460.
• [4] 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 483 (2009) 321÷333.
• [5] Martinez E., Romero J., Lousa A., Esteve J.: Nanoindentation stress-strain curves as a method for thin-film complete mechanical characterization: application to nanometric CrN/Cr multilayer coatings. Appl. Phys. A 77 (2003) 419÷426.
• [6] Smolik J., Zdunek K.: Effect of interlayer composition on the tribological properties of TiC/Ti(Cx, N1–x)/TiN anti-abrasive multilayer coatings Vacuum 55 (1999) 147÷151.
• [7] Su Y. L., Kao W. H.: Optimum multilayer TiN-TiCN coatings for wear resistance and actual application. Wear 223 (1998) 119÷130.
• [8] Dück N., Gamer W., Gesatzke M., Griepentrog W., Österle M., Sahre I. Urban Z.: Ti/TiN multilayer coatings: deposition technique, characterization and mechanical properties. Surf. Coat. Technol. 142-144 (2001) 579÷584.
• [9] Nordin M., Larsson M., Hogmark S.: Mechanical and tribological properties of multilayered PVD TiNrCrN. Wear 232 (1999) 221÷225.
• [10] Yang S., Wiemann E., Teer D. G.: The properties and performance of Crbased multilayer nitride hard coatings using unbalanced magnetron sputtering and elemental metal targets. Surface & Coatings Technology 188- 189 (2004) 662÷668.
• [11] Chen L., Wang S., Q., Zhou S. Z., Li J., Zhang Y. Z.: Microstructure and mechanical properties of Ti(C, N) and TiN/Ti(C, N) multilayer PVD coatings. International Journal of Refractory Metals & Hard Materials 26 (2008) 456÷460.
• [12] Harry E., Rouzand A., Juliet P., Paleau Y.: Adhesion and failure mechanisms of tungsten-carbon containing multilayered and graded coatings subjected to scratch test. Thin Solid Films 342 (1999) 207÷213.
• [13] Major L., Tirry W., Van Tendeloo G.: Microstructure and defects characterization at interfaces in TiN/CrN multilayer coatings. Surface & Coating Technology 202 (2008) 6075÷6080.
• [14] Lackner J. M., Major L., Kot M.: Microscale interpretation of tribological phenomena in Ti/TiN soft-hard multilayer coatings on soft austenite steel substrates. Bulletin of the Polish Academy of Sciences 59 (3) (2011) 343÷355.
• [15] Major L., Lackner J. M., Morgiel J.: TEM investigations of wear mechanisms of single and multilayer coatings. Chapter in the book: The Transmission Electron Microscope (2012) 179÷196.
• [16] Major L., Tirry W., Van Tendeloo G.: Microstructure and defect characterization at interfacesin TiN/CrN multilayer coatings. Surface & Coatings Technology 202 (2008) 6075÷6080.
• [17] Major L., Morgiel J., Lackner J. M., Szczerba M. J., Kot M., Major B.: Microstructure design and tribological properties of Cr/CrN and TiN/CrN multilayer films. Advanced Engineering Materials 10 (7) (2008) 617÷621.
• [18] Major L., Morgiel J.: TEM analysis of wear of Ti/TiN multilayer coatings in ball-on-disc test. Key Engineering Materials 409 (2009) 123÷127.
• [19] Bunshah R. F.: Handbook of hard coatings. ISBN 0-8155-1438-7, NP New Jersey USA (2001).
• [20] Rickerby R. S., Matthews A.: Advanced surface coatings. Handbook of Surface Engineering. Chapman and Hall N.Y. USA (1991).
• [21] 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 49 (2011) 1385÷1394.
• [22] Lackner J. M.: Industrially-scaled hybrid Pulsed Laser Deposition at room temperature. Published by Orekop, Kraków (2005).
• [23] Aminoff M. J., Boller F., Swaab D. F.: Handbook of clinical neurology. ISBN: 9780444520159 (2010).