Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Adaptive coatings a-C/MoS2

Kot M., Lackner J., Major Ł., Major R., Skalski K., Wiązania G., Zimowski S.

Tribologia

|

2018

|

nr 2

51--56

EN

One of the latest ideas in surface engineering is the deposition of new kinds of coatings, called adaptive or chameleon. Based on literature review, the different mechanisms of the adaption of such coatings depend on the applied ranges of temperature and loads were compared. Moreover, the main directions of development of adaptive coatings were also presented. The paper includes results of single coatings, a-C and MoS2, as well composite coatings, a-C/MoS2, in which the mechanism of adaptation was expected. Indentation tests were carried out to determine nanohardness and elasticity modulus. The adhesion of coatings to steel substrates was studied by scratch testing, and tribological properties were studied using a high-temperature ball-on disc tribometer and tests results conducted at room temperature and at elevated temperatures up to 300°C. Results showed that composite coating, a-C/MoS2, can work over the entire range of temperatures with a low coefficient of friction 0.02–0.1 and wear index of 0.07–0.47•10–6 mm3/Nm. Whereas, a-C and MoS2 coatings exhibited a low coefficient of friction and a high wear resistance at low and high temperatures, respectively.

PL

W pracy przedstawiono nowy kierunek w inżynierii powierzchni tworzenia powłok adaptacyjnych, zwanych także kameleonowymi. Na podstawie analizy literatury zestawiono różne mechanizmy adaptacji powłok, w zależności od zakresu stosowanych temperatur pracy i kierunki rozwoju takich powłok. Przedstawiono także wyniki badań własnych dla powłok pojedynczych a-C i MoS2 i na ich tle wyniki dla powłok a-C/MoS2, w których spodziewano się mechanizmu adaptacji. Przeprowadzono testy indentacyjne, z których wyznaczono ich nanotwardość i moduł sprężystości. Analizowano także adhezję powłok do podłoży stalowych przy użyciu testu zarysowania. Testy tribologiczne przeprowadzono w temperaturze pokojowej oraz w podwyższonej do 300°C. Uzyskane wyniki wykazały, że w odróżnieniu do powłok a-C i MoS2 powłoki a-C/MoS2 mogą pracować w całym zakresie badanych temperatur. Wskazują na to niskie wartości współczynnika tarcia 0,02–0,1 i wskaźnika zużycia 0,07–0,47•10–6 mm3/Nm.

2

New kind of Cu based paste for Si solar cells front contact formation

Musztyfaga-Staszuk M., Major Ł., Putynkowski G., Sypień A., Gawlińska K., Panek P., Zięba P.

Materials Science Poland

|

2018

|

Vol. 36, No. 3

469--476

EN

Potential impact of copper replacing silver in the paste used for the front electrode fabrication in crystalline silicon solar cells was investigated. The copper was applied as a new CuXX component with about 2 wt.% to 6 wt.% share of XX modifier. The generated CuXX molecules were analyzed using transmission microscopy. Based on the commercial Du Pont PV19B paste, CuXX and XX materials, the new PV19B/CuXX paste with 51 wt.% share of Cu and the PV19B/XX paste with 51 wt.% share of XX only were developed. Comparative studies of the effect of the commercial PV19B paste made by DuPont Company, and the pastes with the CuXX component and with the modifier XX alone on the electrical parameters of solar cells produced on crystalline silicon were carried out. The solar cells were characterized by the current-voltage technique. As a final result, the Cz-Si solar cell with the 51 wt.% share of Cu in the front electrode having a series resistance of 0.551 Ωcm2, an efficiency of 14.08 % and, what is more important, the fill factor of 0.716, was obtained. It is the best result ever obtained concerning direct Cu application for solar cells fabricated in thick-film technology.

3

Coatings with advanced microstructure for biomedical applications

Kot M., Major Ł., Major R., Lackner J., Pontié M.

Tribologia

|

2017

|

nr 2

77--84

EN

The paper presents the effect of the complex architecture of Cr/CrN+a-C:H coatings on their mechanical and tribological properties. These advanced coatings were compared with CrN single coatings and Cr/CrN multilayers. All of them were deposited by the magnetron sputtering technique. The conducted tests allowed nanohardness, elasticity modulus, fracture toughness, and adhesion of coatings to steel substrates to be determined. Tribological tests were carried out under dry friction and in the presence of phosphate-buffered saline PBS and foetal bovine serum FBS. For all test conditions, the friction coefficient and the wear index of the produced coatings were determined. The lowest wear and the lowest coefficient of friction are exhibited by coatings with complex Cr/CrN+a-C:H architecture. Furthermore, they are also resistant to the highly corrosive PBS environment.

PL

W pracy analizowano wpływ złożonej architektury powłok Cr/CrN+a-C:H na ich właściwości mechaniczne i tribologiczne. Porównywano je z powłokami pojedynczymi CrN i wielowarstwowymi Cr/CrN, które wytwarzano techniką magnetronowego rozpylania. Przeprowadzone badania umożliwiły określenie twardości, modułu sprężystości, odporności na pękanie i adhezji do podłoża. Testy tribologiczne przeprowadzono w warunkach tarcia suchego oraz w obecności roztworu soli fizjologicznej PBS i surowicy cielęcej FBS. Dla wszystkich warunków tarcia określono współczynnik tarcia oraz odporność na zużycie wytworzonych powłok. Najmniejszym zużyciem oraz najmniejszymi wartościami współczynnika tarcia charakteryzowały się złożone powłoki Cr/CrN+a-C:H. Przy tym są one także odporne na oddziaływanie korozyjne roztworu PBS.

4

Mechanical properties of Si3N4 – graphene composites sintered by SPS method

Klimczyk P., Jaworska L., Cygan S., Morgiel J., Major Ł., Olszyna A.

Prace Instytutu Odlewnictwa

|

2017

|

Vol. 57, no. 4

235--239

EN

Silicon nitride powder with a small addition of magnesium oxide and yttria stabilized tetragonal zirconia fine particles was used as a starting material. Multilayer graphene nanoplatelets were used as filler for silicon nitride based composites. Graphene content in the mixtures was 0‒2 wt. %. The composites were obtained by the Spark Plasma Sintering method at 1650°C under 35 MPa of uniaxial pressure. Separation of the agglomerated graphene platelets in the matrix was observed for these materials. Insufficient dispersity of graphene slightly decreased the mechanical properties of Si3N4 ceramics. The SEM and TEM microstructural analysis of sintered materials show that the applied pressure during the sintering process leads to the orientation of the graphene phase and in consequence causes anisotropy of properties. The differences of friction coefficients were examined with the Ball-on-Disc method for the two directions (parallel and perpendicular to the pressing axis). Also the specific wear rate of the ball for the direction parallel to pressing axis differ significantly in comparison to the wear for the direction perpendicular to the pressing direction.

5

Tribologiczne powłoki węglowe o zaawansowanej mikrostrukturze

Kot M., Major Ł., Wiązania G., Lackner J.

Hydraulika i Pneumatyka

|

2017

|

nr 1-6

18--21

6

Studying of Perovskite Nanoparticles in PMMA Matrix Used as Light Converter for Silicon Solar Cell

Lipiński M., Socha R. P., Kędra A., Gawlińska K., Kulesza-Matlak G., Major Ł., Drabczyk K., Łaba K., Starowicz Z., Gwóźdź K., Góral A., Popko E.

Archives of Metallurgy and Materials

|

2017

|

Vol. 62, iss. 3

1733--1739

EN

The nanoparticles of CH3NH3PbBr3 hybrid perovskites were synthesized. These perovskite nanoparticles we embedded in polymethyl methacrylate (PMMA) in order to obtain the composite, which we used as light converter for silicon solar cells. It was shown that the composite emit the light with the intensity maximum at about 527 nm when exited by a short wavelength (300÷450 nm) of light. The silicon solar cells were used to examine the effect of down-conversion (DC) process by perovskite nanoparticles embedded in PMMA. For experiments, two groups of monocrystalline silicon solar cells were used. The first one included the solar cells without surface texturization and antireflection coating. The second one included the commercial cells with surface texturization and antireflection coating. In every series of the cells one part of the cells were covered by composite (CH3NH3PbBr3 in PMMA) layer and second part of cells by pure PMMA for comparison. It was shown that External Quantum Efficiency EQE of the photovoltaic cells covered by composite (CH3NH3PbBr3 in PMMA) layer was improved in both group of the cells but unfortunately the Internal Quantum Efficiency was reduced. This reduction was caused by high absorption of the short wavelength light and reabsorption of the luminescence light. Therefore, the CH3NH3PbBr3 perovskite nanoparticles embedded in PMMA matrix were unable to increase silicon solar cell efficiency in the tested systems.

7

Tribological properties of Ti/A-C:H nanocomposite carbon based coatings

Kot M., Major Ł., Lackner J., Chronowska-Przywara K.

Tribologia

|

2016

|

nr 3

109--117

EN

The paper presents the results of mechanical and tribological tests of Ti/a-C:H nanocomposite carbon coatings and a-C:H hydrogenated carbon coating. All coatings were deposited by magnetron sputtering technique at various acetylene gas flows in a vacuum chamber, resulting in different coatings properties. The conducted study determines hardness, elasticity modulus, fracture resistance, and tribological properties – wear and friction coefficient of deposited coatings. The lowest wear and coefficient of friction were exhibited coatings deposited at higher acetylene flows, 15-20 sccm. However, they are atch testing is several times smaller than in a case of softer coatings deposited at lower acetylene flow up to 10 sccm.

PL

W pracy przedstawiono wyniki badań mechanicznych i tribologicznych nanokompozytowych powłok węglowych Ti/a-C:H, które porównywano z właściwościami powłok węglowych a-C:H. Powłoki wytwarzano techniką magnetronowego rozpylania przy różnym przepływie acetylenu od 1 do 20 sccm przez komorę próżniową, co skutkowało różnymi właściwościami powłok. Przeprowadzone badania umożliwiły określenie twardości, modułu sprężystości, odporności na pękanie oraz właściwości tribologicznych – wskaźnika zużycia i współczynnika tarcia wytworzonych powłok. Najmniejszym zużyciem oraz najmniejszymi wartościami współczynnika tarcia charakteryzowały się powłoki wytworzone przy największych przepływach acetylenu 15–20 sccm. Natomiast są one kruche, a obciążenie krytyczne określone w teście zarysowania jest kilkukrotnie mniejsze niż dla miększych powłok osadzanych przy przepływie acetylenu do 10 sccm.

8

Contribution of titanium, chromium and carbon buffer interlayers to bio-tribological properties of multilayer composites

Major Ł., Janusz M., Lackner J. M., Major B.

Archives of Metallurgy and Materials

|

2016

|

Vol. 61, iss. 3

1391--1398

EN

Research studies on bio-tribological protective coatings of titanium, chromium and carbon based have been performed. Thin films were fabricated by hybrid PLD technique (PLD supported by magnetron sputtering). Coatings consisted of two parts; the inner part (first from the substrate) in each case was formed by titanium or chromium/titanium nitride or chromium nitride (Ti/TiN or Cr/Cr2N). The outer part was formed by pure DLC or multilayer DLC'Ti or Cr. No delamination was found at the interface. Titanium or chromium metallic layer was deposited as a first layer directly on the metallic substrate to avoid delamination. All individual layers were built of columnar nano- crystallites. Mechanisms of the mechanical wear of analyzed systems were presented, focusing on the cracking propagation in ball-on-disc tests using an 1 N and 5 N applied loads for 5 000 cycles. Complex microstmcture analysis of presented nano-multilayer coatings, before and after mechanical tests, were performed by means of transmission electron microscopy (TEM). The highest stress concentration during mechanical uploading was moved through the multilayer coating by breaking only one layer at the time. The microstructure characterization revealed that cracking propagating in the outer part of the coating was stopped at the interface. In the case of the inner part of the coating Ti/TiN; Cr/Cr2N, ceramic layers showed brittle cracking, while metallic (Ti or Cr) ones deformed plastically. Fabricated coatings were subjected under the analysis in the biomechanical system optimized to test for the direct contact with a human whole blood. The study considered physiological conditions mainly related to the temperature and humidity and the frequency of cyclic deformation of the artificial vessel into which the tested sample was introduced.

9

Tribologia powłok węglowych w podwyższonej temperaturze

Kot M., Zimowski S., Major Ł., Chronowska-Przywara K., Rakowski W.

Tribologia

|

2015

|

nr 3

55--64

PL

W pracy przedstawiono wyniki badań mechanicznych i tribologicznych powłok węglowych a-C, a-C:H i a-C:N. Właściwości tribologiczne takich powłok wciąż nie są dostatecznie rozpoznane, zwłaszcza w przypadku analiz prowadzonych w podwyższonych temperaturach. W ramach pracy analizowano właściwości mechaniczne – twardość i moduł sprężystości oraz właściwości tribologiczne – wskaźnik zużycia i współczynnik tarcia w temperaturze 20ºC i 300ºC. Najtwardszą z powłok okazała się powłoka a-C – 17 GPa, a najmiększą a-C:H – 7GPa. Testy tribologiczne w temperaturze pokojowej wykazały, że współczynnik tarcia jest najmniejszy dla powłoki a-C, a najwyższy dla a-C:N – odpowiednio m = 0,05 i 0,24. Najniższe wartość wskaźnika zużycia zmierzono także dla powłoki a-C. Natomiast w temperaturze 300ºC najlepszą okazała się powłoka uwodorniona a-C:H, dla której zużycie było tylko nieznacznie wyższe niż w temperaturze pokojowej, a współczynnik tarcia wynosił 0,04. Zużycie powłoki a-C:N jest 20-krotnie większe niż powłoki a-C:H, chociaż współczynnik tarcia w całym zakresie 20 000 cykli testu tribologicznego wynosił tylko 0,05. Natomiast powłoka a-C w warunkach przeprowadzanego testu została całkowicie zniszczona już po 7000 cykli.

EN

The paper presents the results of the mechanical and tribological coatings of carbon a-C, a-C:H and a-C:N coatings. The hardest coatings H = 17 GPa is a non-hydrogenated a-C coating, while the softest one is a-C:H - 7 GPa. Tribological tests performed at 20°C exhibited the lowest coefficient of friction 0.05 for the a-C coating. In a case of this coating, the lowest value of wear index was also measured. The hydrogenated and nitrogenated coatings have higher friction m = 0.14 and 0.24 respectively. However, the wear of these coatings was higher than for a-C, but it was still at low level comparing to typical ceramic coatings. In contrast, the hydrogenated a-C:H coating exhibited the best wear resistance at 300°C. The wear index was only 50% higher than at room temperature and the friction coefficient varied within the range of 0.03-0.05. The nitrogenated coating a-C:N has 20 times higher wear than the a-C:H coating, although the friction coefficient was only 0.05 over the whole test duration – 20000 cycles. The best coating (a-C) at in room temperature was the worst at elevated temperatures. This coating was completely destroyed after 7000 cycles.

10

The Wear Mechanisms Description Of Multilayer Coatings, Performed By Transmission Electron Microscopy – An Overview Of The Own Research Work

Major Ł.

Archives of Metallurgy and Materials

|

2015

|

Vol. 60, iss. 3

2319--2326

EN

The aim of the presented paper was to describe the wear mechanisms operating at the small length scale in multilayer coatings subjected to a mechanical testing. A hybrid PLD system (Pulsed Laser Deposition connected with magnetron sputtering) was used for the multi-layer coating deposition. Coatings were subjected to indentation, ball-on disc wear and scratch adhesion tests. Microstructure of the as-deposited coating and after mechanical tests was studied using the Scanning (SEM) and the Transmission (TEM) Electron Microscopes. The research work revealed that application of innovative multilayer coatings may allow to predict their life time and to steer their properties.

PL

Celem pracy było określenie mechanizmów zużycia wielowarstwowych powłok tribologicznych, poddanych testom mechanicznym na zużycie. Powłoki wytwarzane przy zastosowaniu hybrydowego układu PLD (technika laserowej ablacji połączona z rozpylaniem magnetronowym) poddane zostały mechanicznym testom na zużycie (indentacja oraz test kula-tarcza), a także testowi przylegania powłoki do podłoża (test zarysowania). Charakterystykę mikrostruktury powłok przed i po testach mechanicznych przeprowadzono za pomocą skaningowej (SEM) oraz transmisyjnej (TEM) mikroskopii elektronowej. Badania wykazały, że poprzez stosowanie innowacyjnych powłok wielowarstwowych można przewidzieć czas ich eksploatacji oraz dają możliwość sterowania właściwościami.

11

Roughness Influence on Macro- and Micro-Tribology of Multi-Layered Hard Coatings on Carbon Fibre Polymer Composite

Lackner J. M., Major B., Waldhauser W., Mzyk A., Major Ł., Kot M.

Archives of Metallurgy and Materials

|

2015

|

Vol. 60, iss. 3

2145--2151

EN

Goal of this work is the investigation of roughness influences on the abrasive wear behaviour of magnetron sputtered multi- -layered, low-friction coatings on carbon-fibre reinforced polymers (CFRP). Higher coating roughness at similar CFRP quality was realized by higher deposition rates, leading to increased heat flux to the substrates during deposition. Thermal expansion of the epoxy matrix on the micro scale results in a wavy, wrinkled surface topography. Both in scratch and reciprocal sliding testing against alumina, the friction coefficients are lower for the smooth coatings, but their wear rate is higher due to low-cycle fatigue caused abrasion.

PL

Celem pracy jest badanie wpływów szorstkości na zużycia abrazyjne osadzonych magnetronowo wielowarstwowych powłoki o niskim współczynniku tarcia na bazie wzmocnionych włóknami węglowych polimerów (CFRP). Większa szorstkość powłoki przy podobnej jakości (CFRP) została uzyskana przez wyższe szybkości osadzania, co prowadziło do zwiększonego strumienia ciepła do podłoża podczas osadzania. Rozszerzalność cieplna matrycy epoksydowej w skali mikro pozwalała na uzyskanie falistej, pofałdowanej topografii powierzchni. Zarówno w teście zarysowania jak i ścierania z przeciwpróbką korundową uzyskano niższe współczynniki tarcia dla gładkich powierzchni zaś ich szybkość zużycia była wyższa ze względu na nisko-cyklowe zmęczenie wywołujace przetarcie.

12

Analiza właściwości nowych grup powłok stosowanych na wysoko obciążone elementy maszyn

Chronowska K., Kot M., Major Ł.

Zeszyty Naukowe. Transport / Politechnika Śląska

|

2014

|

z. 82

41--49

PL

W artykule przedstawiono przegląd nowych grup powłok tribologicznych o złożonej mikrostrukturze, nakładanych metodami PVD (Physical Vapour Deposition) oraz CVD (Chemical Vapour Deposition). Zaprezentowano wyniki badań strukturalnych (TEM), mechanicznych i tribologicznych powłok nanokompozytowych nc-Cr2C/a-C:H i wielowarstwowych 16x(Ti/TiN). Właściwości tych nowoczesnych powłok porównano z właściwościami dwóch pojedynczych powłok a-C:H i TiN. Wszystkie powłoki nakładano metodą rozpylania magnetronowego na stali austenitycznej AISI 304. Porównano wartości twardości i modułu sprężystości oraz adhezję do podłoża badaną przy użyciu testu zarysowania. Wyniki badań wykazały możliwość poprawy odporności na zużycie powłok nanokompozytowych i wielowarstwowych w porównaniu z typowymi powłokami stosowanymi obecnie w przemyśle maszynowym.

EN

The paper presents an overview of new groups of tribological coatings with complex microstructure deposited by PVD (Physical Vapour Deposition) and CVD (Chemical Vapor Deposition) techniques. The results of microstructure studies (TEM), mechanical and tribological properties of nanocomposite coatings nc-Cr2C/a-C:H and multilayers 16x(Ti/TiN) were shown. The properties of these modern coatings are compared with the properties of two single coatings a-C:H and TiN. All coatings were deposited by magnetron sputtering on AISI 304 steel substrates. The hardness, elastic modulus and adhesion to the substrate studied by scratch testing were compared. The results showed the possibility of improving the wear resistance of the nanocomposite and multilayer coatings in comparison with conventional single coatings currently used in the machine industry.

13

Badanie odporności na pękanie i zużycie przez tarcie powłok wielowarstwowych

Kot M., Rakowski W., Major Ł., Lackner J.

Tribologia

|

2014

|

nr 2

89--99

PL

W pracy przedstawiono możliwości poprawy odporności na pękanie oraz zużycie powłok azotków metali i węglowych poprzez wprowadzenie międzywarstw z materiału charakteryzującego się sprężysto-plastycznym charakterem deformacji. Przedstawiono wyniki badań indentacyjnych i tribologicznych powłok wielowarstwowych Ti/TiN i a-C:H/TiN, które porównano z właściwościami powłok pojedynczych TiN i a-C:H. Mechanizm deformacji takich powłok określono poprzez testy indentacyjne z wykorzystaniem sferycznych wgłębników i analizę odcisków przy użyciu technik SEM i TEM. Wykazano celowość wprowadzania cienkich warstw tytanu w powłokach wielowarstwowych, których odkształcenia plastyczne przy obciążeniach zewnętrznych prowadzą do poprawy odporności na pękanie oraz kilkukrotnie zmniejszają zużycie w stosunku do powłok pojedynczych.

EN

The paper presents the opportunity of improving fracture and wear resistance of ceramic and carbon coatings through the introduction of metallic interlayers that exhibit an elastic-plastic character of deformation. The results of indentation and tribological tests of Ti/TiN and a-C:H/TiN multilayer coatings were compared with the results of TiN and a-C:H single coatings. The mechanism of deformation and fracture was analysed by spherical indentation and TEM, SEM microscopic observation of indents. The presented results showed the desirability of the introduction of thin titanium interlayers into multilayer structure. Thin Ti layers were plastically deformed under external contact loading which improved several times the fracture and wear resistance of tested multilayers in comparison to single layers.

14

Wieloskalowa analiza mechanizmu zużycia wielowarstwowych powłok na bazie tytanu i węgla

Major Ł., Lackner J. M., Major B.

Obróbka Plastyczna Metali

|

2014

|

T. 25, nr 1

27--38

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.

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.

15

Materials Stress Diagnostics by X-Ray and Acoustic Techniques

Bonarski J.T., Tarkowski L., Pawlak S., Rakowska A., Major Ł.

Archives of Metallurgy and Materials

|

2014

|

Vol. 59, iss. 2

437--441

EN

Performed investigations and obtained results concerned the analysis of residual stresses in near-surface areas of coppercorundum (Cu-Al2O3) composite and silicon carbide (SiC) samples. X-ray diffraction and acoustic tomography techniques, as well as the suitable calculation procedures, allowed to locate sample-areas with extreme values of stresses residing in the examined materials. The registered texture-stress characteristics reflects inhomogeneity of the samples structure identified by means of acoustic tomography. Obtained results provide valuable information on anisotropy of physical properties of structural elements produced by the technologies applied to the examined samples.

PL

Przeprowadzone badania i uzyskjane wyniki dotyczyły analizy naprężeń w pobliżu obszarów powierzchniowych dwóch typów materiałów: kompozytów CU-AI2O3 oraz węglika krzemu (SiC). Do zlokalizowania obszarów skrajnych wartości naprę- żeń w badanych materiałach użyto dwóch technik dyfrakcji rentgenowskiej i tomografii akustycznej wykorzystując skaningowy mikroskop akustyczny. Zarejestrowana tekstura krystalograficzna oraz naprężenia własne odzwierciedlają niejednorodność próbek zidentyfikowaną za pomocą tomografii akustycznej. Uzyskane wyniki stanowią cenne informacje na temat anizotropii właściwości fizycznych elementów konstrukcyjnych.

16

Tailoring of multilayer structure to tribological conditions

Major Ł., Lackner J. M., Major B.

Inżynieria Materiałowa

|

2013

|

Vol. 34, nr 6

741--744

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.

17

Structure and martensitic transformation in Ni44Mn43.5Sn12.5-xAlx Heusler alloys

Maziarz W., Czaja P., Czeppe T., Lityńska-Dobrzyńska L., Major Ł., Dutkiewicz J.

Archives of Metallurgy and Materials

|

2013

|

Vol. 58, iss. 2

443--446

EN

Alloys with constant Ni/Mn ratio equal to 1.01 of nominal compositions Ni44Mn43.5Sn12.5-xAlx (x = 0, 1, 2 and 3) were induction cast, homogenized in vacuum for 6 hours at 1000ºC, annealed for 1 h at 900 and water quenched for solution treatment (ST). Differential scanning calorimetry (DSC) studies revealed that the quenched alloys undergo martensitic transformation with martensite start temperatures (Ms) ranging from - 140 up to - 80ºC. An increase of Ms temperature with increasing of the aluminum content as well as the linear relationship between Ms and the conductive electron concentration (e/a) was observed. DSC has been used also to estimate the associated entropy change from the transformation heat Q and peak position temperature Tp; corresponding to ΔS ≈ Q/Tp. X-Ray diffraction phase analyses performed at room temperature proved that in all ST alloys the L21 Heusler structure is present. However, a different degree of order of this phase was observed, what was manifested by a decrease of intensity of the 111 superlattice reflection of the L21 structure with an increase of Al content. The ordering behavior was also proven by the transmission electron microscopy (TEM) investigations, particularly electron diffraction patterns. The evolution of microstructure after different treatments was also illustrated by light microscopy observations.

PL

Stopy o stałym stosunku Ni/Mn wynoszacym 1,01 i o składzie Ni44Mn43.5Sn12.5-xAlx (x= 0, 1, 2, 3) odlewano w piecu indukcyjnym a następnie poddano wyżarzaniu w próżni w temperaturze 1000ºC przez 6 godzin oraz obróbce cieplnej polegającej na wygrzaniu w temperaturze 900ºC przez okres 1 h i przesyceniu poprzez szybkie chłodzenie w wodzie o temperaturze pokojowej. Wyniki uzyskane przy użyciu różnicowej kalorymetrii skaningowej wykazały, że przesycone stopy ulegają przemianie martenzytycznej, której początek w zależności od składu stopu mieści się w zakresie - 140 do - 80ºC. Stwierdzono, że wraz ze wzrostem zawartości aluminium w stopach rośnie temperatura początku przemiany martenzytycznej oraz, że zalezność tej temperatury od wartości stężenia elektronów walencyjnych e/a ma charakter liniowy. Badania kalorymetryczne posłużyły również do oszacowania wielkości zmian entropii towarzyszącej przemianie fazowej do czego wykorzystano znajomość ilosci ciepła Q przemiany a także pozycje piku temperaturowego zgodnie z zaleznością Tp: ΔS ≈Q/Tp. Analiza rentgenowska w temperaturze pokojowej wykazała, że wszystkie stopy po obróbce cieplnej stopy posiadają strukturę Henslera o uporzadkowaniu typu L21. Jednakże, stopień uporządkowania tej struktury w zależności od zawartości Al w stopach jest różny na co wskazuje zanik refleksu {111}charakterystycznego dla nadstruktury L21 wraz ze wzrostem stężenia Al. Zmiany stopnia uporzadkowania zostały potwierdzone przy pomocy transmisyjnej mikroskopii elektronowej a zwłaszcza dzieki dyfrakcji elektronowej. Zamiany mikrostruktury po różnych etapach wytwarzania i obróbki cieplne zilustrowano przy użyciu mikroskopii świetlnej.

18

A study of the impact of anti-adhesive coatings on the sheet-titanium forming processes

Adamus J., Lackner J. M., Major Ł.

Archives of Civil and Mechanical Engineering

|

2013

|

Vol. 13, no. 1

64--71

EN

The paper describes proposition for minimisation of both friction and formation of titanium protrusions on steel tools during sheet-titanium forming. Such a process poses a significant challenge not only because of the limited ability to plastic deformation of the titanium sheets, but also because of the low tribological properties. Titanium sheets have extremely high propensity to form titanium protrusions on steel tools, which aggravates or even makes obtaining the drawn-parts with a smooth surface impossible. In order to reduce or completely eliminate the formation of titanium protrusions on the tools technological lubricants should be used. Unfortunately, due to high surface pressure the lubricant film is interrupted frequently. Thus, the authors propose that the tool surfaces (dies and blank-holders) are covered with anti-adhesive coatings, which protect the tools against creation of the titanium protrusions in case of lubricant film break. The paper presents some results of tribological tests. In the strip-drawing test, results of different frictional pairs are presented based on anti-adhesive coatings deposited on the tool surfaces. The decrease in titanium protrusion formation on the steel tools thanks to the use of anti-adhesive coatings was confirmed in the roughness measurements of the tool surface after the strip-drawing test.

19

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

Major Ł., Lackner J. M., Major B.

Inżynieria Materiałowa

|

2012

|

Vol. 33, nr 6

553--555

EN

The effect of damage on microstructure of multilayer coatings (TiN/Ti/a- C:H) has been analyzed. They were deposited through Pulsed Laser Deposition technique (PLD). The coatings microstructure was characterized using Tecnai F20 (200 kV) FEG. The chemical and phase composition were described by EDS and electron diffraction patterns, respectively. Coatings damage resistance was tested by pushing diamond ball with 1 N of the applied load (static test). Thin foils were prepared directly from the wear track by focused ion beam method (FIB) using Quanta 200 3D DualBeam. The multilayer coatings were characterized by strongly dislocated microstructure in TiN layers (like in single layered TiN), while a-C:H were amorphous. After mechanical test the multilayer TiN/Ti/a-C:H coating was strongly deformed. Ceramic TiN and a-C:H layers showed brittle cracking, while very thin metallic Ti layers (presented at each interface) were deformed plastically. Deformation lines were propagating in 45° to crystalline growth direction. The wear of crystalline TiN layers caused cracks along {111} planes. The presence of metallic phase led to the cracking resistance and increased an energetic cost of propagating cracks.

PL

Przeprowadzono wieloskalową analizę mikrostruktury z wykorzystaniem SEM i TEM w zakresie wpływu zużycia na efekty zniszczenia wielowarstwowych powłok typu TiN/Ti/a-C:H. Powłoki wytworzono za pomocą metody osadzania laserem impulsowym (PLD – Pulsed Laser Deposition). Mikrostrukturę charakteryzowano w zróżnicowanej skali z zastosowaniem mikroskopu elektronowego skaningowego SEM oraz transmisyjnego Tecnai F20 (200 kV) FEG. Analizę składu chemicznego i fazowego wykonano, stosując odpowiednio metodę EDS oraz obrazy dyfrakcji elektronowych. Odporność powłok na zniszczenie testowano przez wciskanie kulki diamentowej pod obciążeniem 1 N (próba statyczna). Cienkie folie do badań TEM uzyskiwano bezpośrednio ze ścieżki zużycia z wykorzystaniem metody FIB (Focused Ion Beam), stosując aparaturę Quanta 200 3D DualBeam. Wielowarstwowe powłoki charakteryzowały się strukturą z licznymi dyslokacjami w warstwach TiN, podobną jak pojedyncze warstwy TiN, natomiast powłoki na bazie węgla a-C:H były amorficzne. Po próbach mechanicznych wielowarstwowe powłoki TiN/Ti/a-C:H były silnie odkształcone. Ceramiczne warstwy na bazie TiN oraz a-C:H ujawniały kruche pęknięcia, a w cienkich metalicznych warstwach Ti występujących jako granica fazowa stwierdzono odkształcenia plastyczne. Linie odkształcenia propagowały pod kątem 45° do kierunku wzrostu warstw. Proces zużycia warstw krystalicznych powodował pęknięcia wzdłuż płaszczyzn typu {111}. Obecność w powłoce warstwy z fazą metaliczną prowadziła do wzrostu odporności na pękanie oraz podnosiła barierę energetyczną propagacji pękania.

20

Modelowanie i badania eksperymentalne pękania cienkich powłok ceramicznych i węglowych

Kot M., Rakowski W., Major Ł., Indyka P.

Tribologia

|

2011

|

nr 5

101-108

PL

Praca zawiera analizę deformacji i naprężeń prowadzących do niszczenia układów powłoka–podłoże przez odkształcenia plastyczne podłoża i pękanie twardych powłok. Do analizy wykorzystano obliczenia numeryczne metodą elementów skończonych oraz wyniki testów indentacyjnych. Badano powłoki ceramiczne TiN oraz węglowe a-C:H nałożone na stalowe podłoża. Określono obciążenia prowadzące do powstawania charakterystycznych form niszczenia oraz towarzyszący im stan naprężeń. Wpływ mikrostruktury powłok na powstawanie i propagację pęknięć badano z użyciem mikroskopii SEM i TEM.

EN

In article consideration about deformations and failure of coating-substrate system by plastic deformation of substrate and coatings fracture were presented. Analysis were based on FEM modelling and spherical microindentation results. Such complex analysis allow to determine critical loads and corresponding stress distribution leading to coatings fracture. Ceramic TiN and carbon a-C:H coatings deposited on X10CrNi 18-8 steel substrates were under consideration. It was found that tensile stress on the coatings surfaces, caused formation of first annular cracks, is ?R = 6.5 i 2.4 GPa for TiN and a-C:H coatings respectively. SEM and TEM microscopic investigations have shown great impact of coating microstructure on trough thickness crack propagation.