Politechnika Koszalińska

Transkrypt

1 Politechnika Koszalińska Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Techniki Próżniowej Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Technik Próżniowych Diagnostyka powłok z wykorzystaniem metod analizy termomechanicznej Zadanie 5.2. Piotr Myśliński Politechnika Koszalińska Seminarium projektu nr POIG /08: Hybrydowe technologie modyfikacji powierzchni narzędzi do obróbki drewna Koszalin, 18 i

2 Cele seminarium: 1. Przedstawienie genezy i zasad wdrażanej termomechanicznej metody diagnostyki cienkich adhezyjnych powłok przeciwzużyciowych. 2. Prezentacja wybranych rezultatów badań diagnostycznych. 3. Ustalenie ujednoliconych standardów procedur diagnostycznych do stosowania w ramach projektu (warsztaty?).

3 Plan seminarium: 1. Wstęp. Wykorzystanie wzoru Stoney a do konstruowania charakterystyk naprężenie temperatura w powłoce układu podłoże-powłoka adhezyjna. 2. Stosowane w galwanotechnice sposoby wyznaczania naprężeń wewnętrznych poprzez pomiar odkształceń liniowych podłoża. 3. Istota prezentowanej metody 4. Zasada metody 5. Charakterystyka obiektu badań diagnostycznych 6. Właściwości metody 7. Zagadnienia naukowe związane z wdrożeniem metody 8. Efekty estymacji naprężeń i odkształceń 9. Charakterystyka urządzenia badawczego ( dylatometru ) 10. Możliwe opcje diagnostyki z rejestracją zmian wskaźnika alpha m AC 11. Przykładowe rezultaty i ich interpretacje 12. Zakres koniecznych uzgodnień metodologicznych w zakresie standardowych procedur diagnostycznych w ramach projektu.

4 Wstęp. tot 2 Es ts t R R s f f 0 w funkcji temperatury E s moduł Younga materiału warstwy ν s liczba Poissona materiału warstwy t s grubość warstwy t f grubość podłoża R f promień odkształcenia podłoża po osadzeniu warstwy R o - promień odkształcenia podłoża przed osadzeniem warstwy w funkcji temperatury

5 ..naprężenia w funkcji temperatury wyznaczane metodą Stoney a.. wg C. Mitterer, P.H. Mayrhofer, J. Musil, Thermal stability of PVD hard coatings, Vacuum, 71 (2003) wg P.H. Mayrhofer, F. Kunc, J. Musil, C. Mitterer, A comparative study on reactive non-reactive unbalaced magnetron sputter deposition of TiN coatigs, Thin Solid Films 415(2002)

6 wg. M. Bielawski, D. Seo, Residual stress development in UMS TiN coatings, Surface and Coatings Technology 200 (2005) Naprężenia w funkcji temperatury warstw Al. wg. A. Prószyński, Modyfikacja naprężeń w cienkich warstwach metalicznych, Praca Doktorska, Politechnika Łódzka, 2007

7 Stosowane w galwanotechnice sposoby wyznaczania naprężeń wewnętrznych poprzez pomiar odkształceń liniowych podłoża wg. A. Ryabchikov, H.Lille, J. Kooo, A device for Determination of Residua Stresie In Galvanic Coatings from the Measured Longitudinal Deformation of a Strip Substrate, Materiale Science Forum, (2002) wg. E. Szeptycka, Metoda wyznaczania naprężeń własnych w powłokach galwanicznych przy użyciu dylatometru, Powłoki Ochronne, 1-3 ( ) (1992) 33-41

8 rozwiązania historyczne wg R. Heiner, U Heuberger, A.Pfund, A. Zielonka, Messung und Korrektur von Makrospannungen in galvanischen Schichten, Galvanotechnik, vol (2000)

9 lecie opublikowania pracy: G.G. Stoney, The tension of Metallic Films Deposited by Electrolysis, Proc. R. Soc. Lond A82 (1909) 172.

10 Istota prezentowanej metody

11 cd. Istoty metody

12 St ress σ Total = σ th + σ G + σ ph Total internat (resiudal) stress Intrinsic or growth stress Thermal stress ~0.3 Deposition Temp. (T/Tm) wg. Cheng Y.H., Tay B.K., Lau S.P., Influence of deposition temperature on the structure and internal stress TiN films deposited by filtered cathodic vacuum arc, J. Vac. Sci. Technol. A 20(4) (2002) wg. J.A. Thornton, Thin Solid Films (1989)

13 ZASADA WDRAŻANEJ METODY Zasada metody: rejestracja zmian (kinetyki) warunków sprzężeń termomechanicznych między podłożem a adhezyjną powłoką badanego fizycznego modelu podłoże-powłoka w funkcji temperatury lub czasu zmiany odkształceń liniowych podłoża. Termomechanika jest dziedziną wiedzy technicznej próbującą wyjaśnić i opanować zjawiska wynikające z rozszerzalności cieplnej materiałów oraz mechanizmów sprzężeń termomechanicznych, tzn. wzajemnych oddziaływań pól naprężeń (odkształceń) i temperatur. Stabilność termiczna cienkich powłok adhezyjnych Definicja stabilności termicznej nanostrukturalnych supertwardych pokryć: Stabilność termiczna jest ogólnym terminem używanym do opisu zmian (lub braku zmian) właściwości materiału w funkcji temperatury. Właściwościami takimi są między innymi: odporność na utlenianie, struktura, właściwości mechaniczne. Pokrycie supertwarde posiada wysoką stabilność termiczną jeżeli twardość i rozmiar ziaren (które zależą od nanostruktury i składu), mierzone w temperaturze pokojowej pozostają nie zmienione w trakcie wyżarzania aż do 1100 o C. wg. A. Ravel i inni, Thermal stability of nanostructured superhard coatings: A review, Surf. Coat. Techno. 201 (2007)

14 Stosowane metody pomiarowe do badań stabilności termicznej: pomiar twardości/mikrotwardości (w temperaturze pokojowej po odprężaniu) pomiar zależności twardości wskroś (segregacja stabilności i dyfuzja pomiędzy podłożem a powłoką) pomiar stabilności okresu nadstruktury w funkcji temperatury odprężania pomiar właściwości tribologicznych pomiar naprężeń ( np. metodą XRD) pomiar względnych zmian naprężeń w funkcji temperatury pomiar względnych zmian naprężeń w powłoce adhezyjnej po odprężaniu

15 Dotychczasowe wdrożenia prezentowanej metody realizowane w Politechnice Koszalińskiej były dedykowane diagnostyce przeciwzużyciowych warstw/powłok wielowarstwowych osadzanych próżniowo-plazmowymi metodami łukowymi na narzędziach do obróbki metali i drewna. Wyżarzanie układów podłoże-powłoka adhezyjna powoduje termiczne aktywowanie zróżnicowanych procesów oraz relaksacji naprężeń w powłoce lub/i podłożu (o kinetyce zależnej od energii ich aktywacji): wzrost ziarna rekrystalizacja i zdrowienie dyfuzja między powłoką a podłożem relaksacje naprężeń własnych (anihilacja, migracja i redystrybucja defektów sieciowych) utlenianie powłoki / (degradacja chemiczna) makroskopowa degradacja mechaniczna powłoki (lokalne odpryski, delaminanacja) pełzanie odkształcenia plastyczne. SYNERGIA

16

17 Uzasadnienie wdrożenia prezentowanej metody: pomimo prowadzonych w ostatniej dekadzie intensywnych badań, których celem jest rozpoznanie właściwości super twardych powłok istnieje wciąż luka pomiędzy wiedzą o ich technologiach i strukturze a stabilnością termiczną; np. powłoki o różnych strukturach i składach mogą wykazywać podobne twardości, ale różne zachowanie się stabilności termicznej. wg. A. Ravel i inni, Thermal stability of nanostructured superhard coatings: A review, Surf. Coat. Techno. 201 (2007)

18 CHARAKTERYSTYKA OBIEKTU BADAŃ DIAGNOSTYCZNYCH Obiekt badań: fizyczny model układu podłoże-cienka powłoka adhezyjna ( próbka ). Kształt podłoża: A. walec o średnicy 3 mm, długość 30 mm; Schemat i fotografia fragmentu głowicy pomiarowej dylatometru. 1-elementy konstrukcji głowicy pomiarowej wykonanych ze szkła kwarcowego, 2-próbki (2a-badana, 2b-odniesienia-w przypadku względnych zmian wydłużeń), 3 dyski czujników temperatury, 4-symbole strumieni energii cieplnej z układu grzewczego dylatometru, 5-popychacze czujników LVDT dylatometru a 2b

19 B. płaskownik o długości 30 mm, szerokości 3 mm, grubość ( ) µm

20 Powłoka: - osadzona próżniowo-plazmowymi technikami PVD na powierzchni bocznej walca lub obustronnie w przypadku podłoża w kształcie płaskownika - jedno lub wielowarstwowa - grubości powłok typowe dla technologii powłok przeciwzużyciowych (1,5 8(?) µm). Warunki osadzania: - w ramach procesów samodzielnych (np. w celu optymalizacji technologii, w tym optymalizacji wzajemnej konfiguracji elementów komory technologicznej i obrabianego elementu lub detekcji pęknięć w obszarze interfejsu podłoże-powłoka, detekcji odkształceń plastycznych, itp ) - w ramach procesów rutynowych z wsadem modyfikowanych narzędzi; próbka świadek opcja wskazana przy realizacji projektu (system ekspertowy, optymalizacja Taguchi, powiązanie z danymi z testów narzędzi półprzemysłowych i przemysłowych)

21 WŁAŚCIWOŚCI METODY - badana próbka jest/może być odwzorowaniem materiałowym i technologicznym danego procesu osadzania powłok na elementach użytkowych z wyłączeniem uwarunkowań związanych z wpływem parametrów określających właściwości fizyczne i energetyczne powierzchni obrabianych elementów na warunki wzrostu osadzanych powłok. - ilościowe rezultaty badań diagnostycznych mogą być relacjonowane jedynie w ujęciu zmian względnych wyznaczanych parametrów. Opcje pomiarów: A.- z próbką odniesienia (np. z podłożem bez powłoki) - bez próbki odniesienia z zachowaniem funkcji kompensacji rozszerzalności głowicy B.- bez atmosfery ochronnej - z atmosferą ochronną

22 ZAGADNIENIA NAUKOWE ZWIĄZANE Z WDROŻENIEM METODY Zagadnienia termosprężystości sprzężonej* w zdefiniowanej przestrzeni (obiekcie) pokrytej warstwą lub powłoką wielowarstwową innego materiału. Zagadnienia transportu i redystrybucji strumienia ciepła w materiałach o zróżnicowanych właściwościach cieplnych. Zagadnienia pomiarów efektów cieplnych z udziałem obiektów inercyjnych. Właściwości metod Analizy Termomechanicznej (TMA) i Dynamicznej Analizy Mechanicznej (DMA) z wykorzystaniem modulowanych zmian temperatury. Parametry technologii PVD warstw lub powłok wielowarstwowych zastosowanych do preparatyki badanych modeli podłoże-powłoka adhezyjna a kinetyka termomechanicznych sprzężeń między podłożem, warstwą przejściową i adhezyjną powłoką. * Termosprężystość sprzężona-uwzględnia się pełne sprzężenie pola temperatury i pola odkształcenia: zmiana temperatury wpływa na zmianę odkształcenia, ale również zmiana pola odkształcenia wpływa na zmianę temperatury.

23 Termomechaniczna analiza z modulacją tempetarury MT TMA

24 Przykłady zestawień modeli układów podłoże powłoka adhezyjna

25 EFEKTY ESTYMACJI NAPRĘŻEŃ I ODKSZTAŁCEŃ Obliczenia numeryczne wykonane w celu oszacowania wielkości odkształceń podłoża wynikających z interakcji termomechanicznych między podłożem a adhezyjną powłoką w warunkach sterowanego wyżarzania badanych układów podłoże-adhezyjna powłoka do temperatury 850 o C:.w walcowym modelu układu podłoże-powłoka adhezyjna. Rozpatrywano płaski element skończony stanowiący fragment osiowego przekroju modelu o wymiarach 700 μm x 2000 μm i grubości 2 μm umieszczony w centralnej części przekroju wzdłuż osi 0Y. Do dyskretyzacji podłoża ustalono elementów, natomiast do dyskretyzacji warstwy elementów. W obliczeniach z zastosowaniem programu ANSYS 5.7. przyjęto parametry E, ν, α dla podłoża z żelaza Armco oraz spieku WCCo6, dla warstwy: azotek tytanu TiN o grubości 2 µm.

26 Rozkład naprężeń termicznych dla układu Fe-TiN: wartość i rozkład naprężeń płaskich σ th w warstwie TiN o grubości 2μm w połowie długości modelu wartość i rozkład naprężeń σ th w podłożu Fe wzdłuż całej długości wg. K. Pietruszka

27 Naprężenia zredukowane w warstwie w temperaturze pokojowej w warstwie TiN układu Fe-TiN w warstwie TiN układu WCCo-TiN

28 Naprężenia zredukowane w podłożu Fe w temperaturze pokojowej..układu Fe TiN Naprężenia zredukowane w podłożu WCCo..układu WCCo TiN wg R. Kucharskiego (prace nie publikowane) Wartość Fe TiN WCCo TiN naprężenia zredukowane w warstwie [GPa] naprężenia rozciągające w warstwie [GPa] naprężenia zredukowane w podłożu [MPa] naprężenia rozciągające w podłożu [MPa]

29 Obliczone odkształcenia podłoża w funkcji temperatury dla układu Fe-TiN wg. R. Kucharskiego nie publikowane

30 Eksperymentalne odkształcenia podłoża w funkcji temperatury dla układu Fe-TiN

31 .dla układu Fe-TiN z podłożem w kształcie płaskownika, temperatura osadzania 400 o C y g warstwa podłoże h z x l s Dane do obliczeń: 1.długość l = 30mm 2.szerokość s = 3mm 3.grubość podłoża h = 140μm 4.grubość warstwy TiN g = 2μm 5.temperatura osadzania T dep = 400 C 6.temperatura pokojowa T o = 20 C Odkształcenie (wydłużenie) układu ε [μm] Bez warstwy Z warstwa 156,18 153,08 Różnica 3,10 μm

32 ..dla podłoży walcowych naprężenia termiczne σ th... w/g P. Myśliński, W. Precht, L. Kukiełka, P. Kamasa, K. Pietruszka, P. Małek, A possibility of application on MT DIL to the residual stresses analysis the hard coating-substrate system, Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 77 (2004) WNIOSEK GENERALNY z obliczeń: Wymagana rozdzielczość pomiarów zmian wydłużenia liniowego podłoża nie mniejsza niż 0,01 µm

33 Charakterystyka urządzenia badawczego ( dylatometru kompensacyjnego) Właściwe warunki metrologiczne badań zapewniono poprzez: A. Wykorzystanie indukcyjnego czujnika przesunięć liniowych HP LVDT (high precision linear variable differential transformer) firmy TESSA (+ czytnik elektroniczny) o rozdzielczości 0,01 µm. B. Opracowanie i skonstruowanie dylatometru różnicowego z radiacyjno - konwenkcyjnym układem grzewczym. uchwyt z próbką układ grzewczy termoelement popychacz czujnik przemieszczenia głowica pomiarowa komora pomiarowa układ regulacji czujników

34 DIL DC / m < A DIL > / m T s -T o / o C C. Zastosowanie różnicowej dylatometrii (analizy termomechanicznej TMA) z modulacją temperatury MT TMA T s (t) = To + < q > t + A Ts sin ωt ω = 2 Π f Podstawowa właściwość dylatometrii (analizy termomechanicznej TMA) z modulacją temperatury (MT TMA) polega na możliwości separacji odwracalnych zmian temperatury i wydłużeń próbki od nieodwracalnych zmian tych parametrów. Pozwala to na detekcje efektów cieplnych i mechanicznych z czułością krotnie większą niż z zastosowaniem wyłącznie zmian liniowych temperatury układu grzewczego urządzenia badawczego wg Y. Kraftmakher, Modulated Calorimetry and Related Techniques, Elsevier (2002) Przykład: T o +<q>t+a T sin t T o <q>t A T sin t Time / s Fe < A DIL > = - 0,35 m (a) (b) 2,0 1,9 1,8 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0, ,5 Temperature ( o C)

35 Ogólne zdefiniowanie właściwości analizy MT TMA: sygnał pomiarowy złożony jest z dwóch składowych: dl/dt = α. (dt/dt) + f (t,t) gdzie α = (dl/dt) jest cieplnym współczynnikiem rozszerzalności. Pierwszy składnik reprezentuje odwracalne zmiany wydłużeń próbki, natomiast f (t,t) jest pewną funkcją temperatury i czasu reprezentującą zmiany długości próbki pojawiające się wskutek relaksacji naprężeń w próbce lub odkształceń w wyniku przyłożonego obciążania (!) i jest częścią równości reprezentującą nieodwracalne zmiany wydłużeń. Przedmiotem dekonwolucji Fouriera są rejestrowane sygnały MT TMA czyli: - odpowiedzi termiczne z czujnika (czujników) temperatury próbki - odpowiedzi dylatometryczne z czujnika LVDT dylatometru.

36 Produktami operacji dekonwolucji są następujące dane do analizy zmian odkształceń podłoża: - dane dotyczące odwracalnych zmian temperatury próbki w funkcji czasu: Tp DC

37 -dane dotyczące odwracalnych zmian wydłużeń próbki w funkcji czasu DIL DC,

38 < A T >/ o C < A L > / m - oraz dotyczące nieodwracalnych efektów cieplnych i dylatometrycznych zawartych w odpowiedziach próbki na pobudzenie cieplne A Ts sin ωt: < A T > i < A L > w funkcji temperatury lub czasu, < A T > jest bieżącą amplitudą odpowiedzi cieplnej < A L > bieżącą amplitudą odpowiedzi dylatometrycznej. 10 < A T > 8 B C 4 < A L > A B Czas / sek Czas / sek

39 Do detekcji zmian oddziaływań termomechanicznych przyjęto wskaźnik alpha m AC zdefiniowany następująco: α m AC(f) = < A L > / Lm ot < A T > gdzie znacznik m oznacza, że mamy do czynienia w badanej próbce z mechanicznym oddziaływaniem adhezyjnej powłoki na podłoże, L ot jest bieżącą początkową wartością długości podłoża, f częstotliwością modulacji. 13,0 12,5 alphaac480 12,0 11,5 alpha m AC / ppm o C (-1) 11,0 10,5 10,0 9,5 9,0 8,5 8,0 7,5 7, Czas / sek

40 Ze względu na cieplnie inercyjne właściwości obiektu badanego moduły i fazy odpowiedzi <A T > i <A L > są zależne od częstotliwości modulacji Zmiana temperatury w osi symetrii czoła układu próbka uchwyt (kwarc), mapa rozkładu temperatury czoła uchwytu kwarcowego z próbką po czasie 3s Zmiana temperatury w osi symetrii czoła układu próbka uchwyt platyna i miedź, mapa rozkładu temperatury czoła uchwytu kwarcowego z próbką po czasie 0,03s Stąd wskaźnik α m AC(f) można zdefiniować również (w płaszczyźnie zmiennych zespolonych) α m AC(f) = (1/L) (L exp(j(ωt +φ L ))/T exp(j(ωt +φ T ))= =1/L o (L/T) exp(jω (φ L -φ T )) gdzie: L exp(j(ωt +φ L )) i T exp(j(ωt +φ T )) są cyklicznymi mierzonymi zmianami odpowiednio wydłużenia i temperatury i próbki a L średnią zmianą długości w czasie jednego okresu cyklicznych zmian.

41 Re DC 5 20 min =16 s =64 s min Im Teoretyczny amplitudowo - fazowy nomogram zmian odpowiedzi < A T > dla podłoża z żelaza Armco i = 16 i 64 sek oraz A Ts =5 C w funkcji częstotliwości modulacji temperatury ( okresy 0,5 20 min.) wg P. Kamasy

42 Re <AT> ^ / uv x 7,1 6 <qm>=1 C/min,p=20min. <qm>=2, p= < AT > (<qm>) podłoże Fe poziom 300 C plik: ri 2 ampl. modul.=5o C DC <qm>=2.5, p= <qm>=40, p= 0.5 <qm>=7.5, p= <qm>=20, p=1 <qm>=10, p=2 <qm>=5,p=4-6 -1,5-1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 Im <AT>^ / uvx7,1 Doświadczalny amplitudowo fazowy nomogram odpowiedzi < A T > dla podłoża z żelaza Armco w funkcji częstotliwości modulacji temperatury.

43 Doświadczalny amplitudowo fazowy nomogram odpowiedzi < A T > dla podłoża z żelaza Armco w funkcji temperatury

44 Doświadczalny amplitudowo fazowy nomogram odpowiedzi < A T > dla podłoża z żelaza Armco w funkcji temperatury

45 Doświadczalny amplitudowo fazowy nomogram odpowiedzi < A T > dla podłoża z żelaza Armco w funkcji temperatury

46 < AT >/ DC Optymalizacja częstotliwości modulacji z wykorzystaniem próbki HSS-TiAlN alpha AC / ppm x 1/oC < A dil > / DC DIL DC 10,45 10,425 10,4 10,375 10,35 HSS/TiAlN, plik tg1 alpha AC, air, obr.spr. p = 1 min. 10,325 10,3 p= 16 min. 10,275 10,25 10,225 10,2 10,175 10,15 10,125 p = 12 min. p = 7 min. p = 4 min. 10,1 10,075 10,05 p = 10 min. 10,025 0,85 1,35 1,85 2,35 2,85 3,35 3,85 ln < q m > / oc/min 1,15 1,1 1,1 p = 7 min. 1,05 p = 7 min. 1,05 1 0,95 p = 16 min. p = 5 min. p = 4 min. 1 0,95 0,9 p = 12 min. p = 6 min. p = 4 min. p = 2 min. 0,9 0,85 p =12 min. p = 10 min. p = 8 min. p = 6 min. p = 2 min. 0,85 0,8 p = 16 min. p = 10 min. 0,8 0,75 0,7 0,65 0,6 0,55 HSS/TiAlN, plik tg1 < AT > test 3/4 (< AT > / Tp DC) air, obr.spr., p = 1 min. 0,75 0,7 0,65 0,6 0,55 HSS/TiAlN, plik tg1 DIL test 3/4 (ampl. DIL / DIL DC) air, obr.spr., p = 1 min. 0,5 0,85 1,1 1,35 1,6 1,85 2,1 2,35 2,6 2,85 3,1 3,35 3,6 3,85 ln < q > 0,5 0,85 1,1 1,35 1,6 1,85 2,1 2,35 2,6 2,85 3,1 3,35 3,6 3,85 ln < qm > / oc/min

47 wg. Z. Suszyński, Termofalowe, metody badania materiałów i przyrządów elektronicznych.

48

49 Wyżarzanie (odprężanie) izotermiczne w zakresie (900) o C i czasie dowolnym.

50 Temperatura pieca / o C Liniowe zmiany temperatur próbek z szybkościami optymalnymi dla metody ew. połączone z procesami wyżarzania Czas / sek.

51 Temperatura pieca / o C Opcje badań diagnostycznych: z wykorzystaniem liniowych zmian temperatury próbek z szybkościami optymalnymi dla metody i ewentualnie połączone z procesami wyżarzania Czas / sek.

52 Temperatura 2. z wykorzystaniem standardowych sekwencji temperatura/czas połączone z procesami wyżarzania T odprężania faza C faza A start pomiaru faza B pomiar alpha m AC przed procesem wyżarzania faza C wyżarzanie próbki faza E pomiar alpha m AC po procesie wyżarzania T pomiarowa 1 2 faza B 1 2 faza E faza A Standardowa sekwencja pomiarowa faza D Czas faza F C Substrate annealing T heat. proc C C C PVD Process TIN 200 o C 6 2 T meas. RT Przykład kolejności sekwencji pomiarowych

53 REZULTATY I INTERPRETACJE. Wskaźnikowanie degradacji oddziaływań mechanicznych powłoki na podłoże - wskaźnik alpha m AC po procesie osadzania powłoki (przed wyżarzaniem próbki α m AC(s) -wskaźnik alpha m AC po operacji wyżarzania próbki w temperaturze T α m AC(T) - wskaźnik względnej zmiany alpha m AC(T) jako skutek wyżarzania próbki w temperaturze T ((α m AC(s) - αm AC(T) ) / αm AC(s) ) 100 %

54 REZULTATY I INTERPRETACJE. alpha AC(4) / ppm o C^(-1) % zmian alpha AC(4) 10,00 Wskaźniki alpha AC(4) dla układów typu "Al", "Cr", "TiN" i podłoża Fe AF_1, 2, 4 CF_5, 6, 7 9,70 TF_5, 6, 7 9,50 9,50 Fe 9,82 9,00 8,61 8,57 8,68 8,70 8,50 8,35 8,16 8,00 7,90 7,89 7,50 7,61 7,53 7,00 przed odprężaniem po odprężaniu 320 o C/1godz. (atm. powietrze) po odprężaniu 520 o C/1godz. (atm. powietrze) po odprężaniu 650 o C/1 godz. (atm. powietrze) 88 % zmiana wskaźnika alpha AC(4) normalizowana do Fe, względem wartości po osadzeniu powłok, dla układów typu "Al", "Cr", "TiN" po kolejnych sekwencjach odprężania 85, ,69 AF_1, 2, 4 CF_5, 6, 7 TF_5, 6, 7 53, ,65 41, ,58 8 po odprężaniu 320 o C/1godz. (atm. powietrze) -12-8,04-8,75-1,06 po odprężaniu 520 o C/1godz. (atm. powietrze) po odprężaniu 650 o C/1 godz. (atm. powietrze)

55 % alpha AC(4) 12,00 10,00 AF_1, 2, 4 CF_5, 6, 7 TF_5, 6, 7 % zmiana wskaźnika alpha AC(4) dla układów typu "Al", "Cr", "TiN" po kolejnych etapach odprężania 11,34 8,63 8,00 6,00 5,77 6,53 4,00 4,28 2,00 2,13 0,00 0,00-0,57-2,00-1,18 po odprężaniu 320 o C/1godz. (atm. powietrze) po odprężaniu 520 o C/1godz. (atm. powietrze) po odprężaniu 650 o C/1 godz. (atm. powietrze)

56 % zmiany alpha AC(4) normalizowane 90 % zmiany wskażnika "alpha AC(4) normalizowane względem wartości po osadzeniu warstwy 82,69 80 CF_5,6,7 (673) CF_9,11 (673 II) CF_1,2,3,4(625) CF 1,2 (kpcrn) 62, ,42 48, , ,89 19, po odprężaniu 320oC/godz. (atm. powietrze) 0, ,62-9,50-20,83 po odprężaniu 520 oc/1 godz. (atm. powietrze) po odprężaniu 650 oc/1godz. (atm. powietrze) ,88

57 % zmian oddziaływań mechanicznych Detekcja wpływu napięcia polaryzacji narzędzi w czasie osadzania powłoki % zmian oddziaływań mechanicznych warstwy TiN osadzonej na podłożu ze stali SW7M" pom. alpha AC w temp. 200 oc, pliki: st3,st5 Vs = -70 V Vs = -10 V ,01% 330oC -31,27% 330 oc 7,12% 550 oc 60,58% 550 oc 5,08% 550 oc 43,41% 550 oc kolejny proces odprężania

58 Detekcja wpływu atmosfery gazowej w komorze pomiarowej czasie badań alpha AC m 4 8,6 8,55 8,5 8,45 8,4 8,35 8,3 8,25 8,2 8,15 8,1 8,05 8 7,95 7,9 7,85 7,8 7,75 7,7 7,65 7,6 7,55 7,5 7,45 7,4 7,35 7,3 7,25 7,2 7,15 7,1 7,05 7 plik AS1 = odprężanie ARGON plik FS1= odprężanie AIR 8,18 argon 7,98 air detekcja wpływu atmosfery Fe/TiN grub.podł. Fe =150 µm grub.warstwy TiN = 3,2 µm podłoże nie obciążone 7,57 argon 8,51 air przed procesem odprężania po proc. odprężania 310 o C / 2 godz.

59 %zmian alpha AC / ppm 1/C 1/oC Detekcja wpływu zastosowania obrotu próbek wokół własnej osi w czasie procesu osadzania ,98 Fe/TiN Vs=-70V 8 6 4,95 5,31 TF4 5,8 6,12 BEZ obrotu Z obrotem 4 2 TF3/TF4 TF1/TF2 TF1 TF2 0,67 po 2. proc. odpr. 460oC/1 godz 0-2 różnica po osadz. po 1. proc. odpr. 460oC/1godz. TF3 TF4 TF1-1,17 TF3 TF2-1, , ,32

60 Detekcja dodatkowego obciążenia mechanicznego podłoża w czasie osadzania powłoki alphaac / ppm oc^(-1) 8,6 8,4 8,2 8 7,8 7,6 7,4 7,2 7 6,8 6,6 6,4 6,2 6 5,8 5,6 5,4 5,2 5 4,8 4,6 4,4 4,2 4 3,8 3,6 3,4 3,2 3 2,8 2,6 2,4 2,2 2 8,15 σt = - 2,08 GPa 4,32 detekcja wpływu obciążnia podłoża 5N Alpha AC m 4 Proces 1 grubość warstwy TiN = 2,2 µm σt = -2,33 GPa 8,01 (-1,71%) σt = -1,50 GPa 5,15 (+19,21 %) przed procesem 1 odprężania po proc. odprężania o C/air BS = z obciążeniem podłoża, # podłoża 150 mkrm ES =, bez obciążenia podłoża, # podłoża 260 mkr σt = - 1,85 GPa

61 Detekcja dodatkowego obciążenia mechanicznego podłoża w czasie osadzania powłoki - cd Dane materiałowe: α s =13,7[10-6 K -1 ]; α c =9,35[10-6 K -1 ]; lo=30mm; grub. warstwy TiN=2µm Podłoże Fe Armco bez warstwy Podłoże Fe Armco z adhezyjną warstwą TiN osadzaną w temp. 400 o C Zadane parametry (temp., siła obciążenia) obc. 5N obc..5n bez obc. obc. 5N Przyrost wydłużenia ΔL [μm] Naprężenia termiczne (składowa) σ th [MPa] 1, , ,18 podłoże 5,47 5, ,61 (δ l = +1,47) + 19 (δ =+6 MPa) bez obc , warstwa

62 Korelacja rezultatów badań z pomiarami naprężeń metodą dyfrakcji RTG 3,6 3,486 3,4 3,2 3 Fc Fe/TiN N200oC, AIR ampl. modul. 10oC przed procesem odprężania po procesie odprężania 320 oc/2 godz. AIR 2,8 2,6 2,523 2,4 2,2 T 2 = -2,33 GPa = -1,85 GPa 1,8 1,6 1,605 1,549 1,632 1,618 1,674 1,489 1,4 1,2 1 σt = -1,76 GPa =-1,43 GPa = -1,89 GPa = -1,76 GPa = -2,06 GPa = -1,92 GPa próbka 1siteCS1 próbka siteas1a 2 próbka sitefs1 3 próbka 4 sitees1

63 delta L/Lo x 10^(-5) Preparatyka podłoży - detekcja wpływu atmosfery normalizowania ,00 0,00-19,77-6,45-26,96 DIL DC delta L/Lo x 10^(-5) podłoże Fe Armco, wycięte z tasiemki przed odprężaniem po odprężaniu ,04-54,77-56, po odprężaniu 550 oc po odprężaniu 650 oc Podłoze Fe odprężane w Ar 900 oc, wycięte z tasiemki Podłoże Fe odprężane w H 900 oc, wyciete z tasiemki po odprężaniu w 320 oc ,10-207,75-250

64 % zmiany alpha AC usrednione Preparatyka podłoży - detekcja wpływu atmosfery normalizowania % zmian alpha m ACśr. normalizowane do wartości przed odprężaniem % zmiany alpha AC usrednione normal w stosunku do wart przed odprężaniem Odpręż. Ar 900, pom Ar, pwc Odpręż. Ar 900, pom Ar, wycięta z paska Odpręż. H 900, pom Ar wycięta z paska 14,44 19,98 19, , ,64 8, , ,18 2,82% po odprężaniu 320 oc po odprężaniu 550 oc po odprężaniu 650 oc po odprężaniu 320 oc bis

65 Preparatyka podłoży - detekcja wpływu temperatury/czasu wyżarzania podłoży w próżni na powtarzalność odkształceń w funkcji temperatury

66 c.d. Preparatyka podłoży - detekcja wpływu temperatury/czasu wyżarzania podłozy w próżni na powtarzalność odkształceń w funkcji temperatury alpha AC / ppm o C -1 alpha AC / ppm o C-1 alpha AC / ppm 10 o C-1 12,5 12,0 11,5 11,0 10,5 10,0 Podloze HSS (530 o C/6 h, vacuum) 1 wyzarzanie/air p = 2,32 % p=8 min., ampl.=10 o C, <q>=4,75 o C/min plik:sw10 12,5 12,0 11,5 11,0 10,5 10,0 Podloze HSS (530 o C/6 h, vacuum) 2. wyzarzanie/air p = 0,54 % p=8 min., ampl.=10 o C, <q>=4,75 o C/min plik:sw10 9,5 9,0 8, ,5 12,0 11,5 11,0 Temperatura podloza / o C Podloze HSS (530 o C/6 h, vacuum) 3. wyzarzanie/air p = 0,04 % p=8 min., ampl.=10 o C, <q>=4,75 o C/min plik:sw10 9,5 9,0 8, Temperatura podloza/ o C 10,5 10,0 9,5 9,0 8, Temperatura podloza / o C

67 Optymalizacja częstotliwości modulacji test powtarzalności odpowiedzi <A T > i <A L > dla częstotliwości z zakresu równowagowego

68 Temperatura probki / o C Wskaźnikowanie degradacji oddziaływań mechanicznych powłoki na podłoże z wykorzystaniem rejestracji zmian powierzchi pola pod krzywa alpha m AC I. Wersja 0 wskażnikowania Czas /sek

69

70 SW7TiNlezak SW7CrCN1 % s o C alpha m AC(4) /ppmo C (-1) Po i-tym wyzarzaniu 520 o C/ 2 godz. air SW7TiNlezak,plikSWJ12 SW7CrCN1, plikswcrcn-1 WCG25lezak,plikWCG25-1 FeG25lezak.,plikFe-TiN TiCN TiAlN % s o C alpha m AC(4) /ppmo C (-1) Po i-tym wyzarzaniu 520 o C/ 2 godz. air

71 mac / C -1 II. wersja wskaźnikowania 14 3 rd heating proc. 2 nd heating proc. Fe / TiCN 13 plik: tst17 modul:2(sin10,1) st heating proc = 26,89% Temperature / o C

72 Opisowa ocena stabilności termicznej badanych struktur DC DIL / m DC DIL / m DC DIL / m 22,4 22,2 22,0 21,8 21,6 21,4 21,2 21,0 DELTA DC DIL = 1,18 m DC DIL Fe/TiN plik: sitea1 N320 oc, atm. Ar Time / sec 27,3 27,2 27,1 27,0 26,9 26,8 26,7 26,6 26,5 26,4 26,3 26,2 26,1 26,0 25,9 25,8 25,7 DC DIL plik: siteb1 N320 o C, atm Air DELTA DC DIL = 0,80 m Time / sec. D 24,0 23,9 23,8 23,7 DC DIL Fe/TiN plik: sitea1a N320 o C, atm. AIR 23,6 23,5 23,4 23,3 23,2 23,1 23, Time / sec.

73 Zakres koniecznych uzgodnień metodologicznych w zakresie standardowych procedur diagnostycznych w ramach projektu 1. Ustalenie jednolitych testowych profili temperaturowych 2. Wybór sposobu wskaźnikowania degradacji oddziaływań mechanicznych powłoki na podłoże poprzez: a) rejestrację wskaźnika alpha m AC na stałym poziomie temperatury (200 o C) b) rejestrację wskaźnika alpha m AC w funkcji temperatury lub czasu w ustalonym zakresie. 3. Wybór atmosfery gazowej w czasie badań ( utleniająca lub ochronna) 4. Dane dodatkowe, np. zmiany wskaźnika alpha m AC w trakcie wyżarzania, rejestracja odkształceń podłoża DC po kolejnych procesach wyżarzania, itp. 5. Opisowa ocena stabilności.

74 Budapeszt, lipiec, 2007 termomechanika może zaszokować!

75 Politechnika Koszalińska Politechnika Koszalińska Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Techniki Próżniowej Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Technik Próżniowych Badania finansowane ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka, działanie

76 Politechnika Koszalińska Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Techniki Próżniowej Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Technik Próżniowych Dziękuję za uwagę Politechnika Koszalińska