MIKROSTRUKTURALNA ANALIZA MECHANIZMÓW ZUŻYCIA POWŁOK MONO- I WIELOWARSTWOWYCH BAZUJĄCYCH NA SKŁADZIE TiN i a-c:h

Transkrypt

1 PROBLEMY EKSPLOATACJI 19 Łukasz MAJOR *, Marcin KOT **, Bogusław MAJOR * * Instytut Metalurgii i Inżynierii Materiałowej PAN, Kraków ** Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki, Kraków MIKROSTRUKTURALNA ANALIZA MECHANIZMÓW ZUŻYCIA POWŁOK MONO- I WIELOWARSTWOWYCH BAZUJĄCYCH NA SKŁADZIE TiN i a-c:h Słowa kluczowe Powłoki wielowarstwowe, PLD, zużycie, mikrostruktura, TEM. Streszczenie Przedmiotem pracy była analiza mechanizmów zużycia monowarstwowych powłok azotku tytanu (TiN) i amorficznego węgla (a-c-h) i wielowarstwowych powłok bazujących na składzie TiN/a-C-H. Powłoki wytworzone zostały za pomocą techniki ablacji laserowej (PLD- Pulsem Laser Deposition). Materiały zostały poddane dwóm rodzajom testów na zużycie: standardowy test kula tarcza (na urządzeniu T01) i test statyczny na wciskanie kulistego penetratora z siłą 1N (na urządzeniu micro-combi tester CSM), który symulował ich rzeczywiste warunki pracy w zastosowaniu na elementy pomp wspomagania serca. Diagnostyka mikrostrukturalna powłok przed, jak i po procesie zużycia wykonana została z wykorzystaniem transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM) na mikroskopie TECNAI G 2 F20 (200 kv FEG). Analiza fazowa i skład chemiczny przeprowadzone zostały za pomocą technik, odpowiednio dyfrakcji elektronowej i spektralnej analizy rentgenowskiej (EDS Energy Dispersive Spectroscopy). Oddziaływanie siły zewnętrznej podczas procesu zużycia na

2 20 PROBLEMY EKSPLOATACJI monowarstwową powłokę TiN spowodowało powstanie pęknięć propagujących się wzdłuż płaszczyzn najgęstszego ułożenia atomów dla struktury regularnej ściennie centrowanej, czyli wzdłuż {111}. Powłoki amorficznego węgla charakteryzowały się wyjątkowo niskim współczynnikiem tarcia (najniższym spośród analizowanych powłok). Zużycie powłok wielowarstwowych różni się od monowarstwowych. Monowarstwy zużywają się gwałtownie. Ideą zastosowania wielowarstw TiN/a-C-H była w większym stopniu możliwość kontrolowania procesów zużycia. Tego typu powłoki zużywają się warstwa po warstwie [1]. Wprowadzenie Powłoki odporne na zużycie stosowane są w celu zabezpieczenia powierzchni, części elementów konstrukcyjnych pracujących pod działaniem przyłożonej siły zewnętrznej. Ceramiczne powłoki azotku tytanu (TiN) znalazły szerokie zastosowanie z uwagi na ich dobrą odporność korozyjną i odpowiednio wysokie właściwości mechaniczne, a przede wszystkim twardość [2, 3]. Drugim rodzajem rozważanej w pracy ceramicznej, twardej powłoki jest amorficzny węgiel (a-c:h). Węgiel jest materiałem wyjątkowym z uwagi na różnorodne oddziaływania atomów węglowych pomiędzy sobą i z innymi pierwiastkami. Powłoki a-c:h mają cechy naturalnego diamentu, jednak charakteryzują się strukturą amorficzną. Powłoki amorficznego węgla charakteryzują się bardzo niskim współczynnikiem tarcia. Materiał ten ma również wysokie właściwości biozgodne [3, 4]. Łączenie właściwości różnych materiałów, np. twardej i miękkiej fazy w strukturę kompozytową powłoki lub zastosowanie układu wielowarstwowego, gdzie warstwy różnych faz ułożone są naprzemiennie, stanowi szczególne zainteresowanie w konstrukcji nowych typów powłok. Przykładowo plastyczny tytan (Ti) może być ułożony naprzemiennie z twardym azotkiem tytanu (TiN) [6]. Potencjalnym zastosowaniem powłok prezentowanych w pracy są elementy pomp układu wspomagania serca. Powłoki powinny łączyć wysokie właściwości mechaniczne i biozgodne. Udział fazy metalicznej powinien być silnie ograniczony z uwagi na możliwość wywołania tzw. odczynów alergicznych, czyli metalozy. W pracy zestawione zostały dwie fazy ceramiczne o różnych właściwościach TiN/a-C:H z niewielkim udziałem fazy tytanowej (Ti), koniecznej do zwiększenia jakości przylegania powłoki do podłoża. Celem pracy jest mikrostrukturalna diagnostyka układów mono- i wielowarstwowych po procesie zużycia. 1. Dane eksperymentalne Mono- i wielowarstwowe powłoki wytworzone zostały z zastosowaniem hybrydowej techniki ablacji laserowej (PLD- Pulsed Laser Deposition), połączonej z metodą magnetronową. Wykorzystano wysokiej czystości tarcze tyta-

3 PROBLEMY EKSPLOATACJI 21 nowe (99.9% at. Ti) i węglowe. Zwiększenie jakości przylegania do podłoża w przypadku monowarstwowej powłoki TiN i wielowarstwowej powłoki TiN/a- C:H uzyskano poprzez nałożenie metalicznej warstwy buforowej (Ti) bezpośrednio na podłoże, przed głównym etapem nanoszenia. Cienkie warstwy metaliczne wprowadzono też na każdej granicy warstwowej powłoki wielowarstwowej, pomiędzy TiN a a-c:h. Szczegółowy opis zastosowanej techniki wytwarzania powłok znajduje się pod pozycją literaturową [7]. Powłoki poddane zostały diagnostyce właściwości mechanicznych polegającej na określeniu krytycznej siły przylegania (tzw. scratch- test), zużycia i współczynnika tarcia w dynamicznym teście kula tarcza (siła 1N; 2000 cykli) i statycznym teście na wciskanie kulistego penetratora (diament; promień zaokrąglenia 20 µm; siła 1 N). Opis mikrostruktury powłok przed i po procesach zużycia przeprowadzony został z wykorzystaniem techniki transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM Transmission Electron Microscopy) na mikroskopie TECNAI G 2 F20 FEG (200 kv). Analiza fazowa przeprowadzona została za pomocą dyfrakcji elektronowych. 2. Wyniki i dyskusja Monowartwowa powłoka TiN (przed procesem zużycia) charakteryzowała się silnie zdefektowaną (duża ilość dyslokacji) kolumnową strukturą, natomiast monowarstwowa powłoka węglowa była całkowicie amorficzna. Wielowarstwowa powłoka wytworzona została poprzez naprzemiennie ułożenia faz TiN i a-c:h (rys. 1). Powłoki poddane zostały mechanicznym testom na zużycie. W celu określenia jakości przylegania powłok do podłoża przeprowadzono test na zarysowanie (scratch- test). Pierwsze pęknięcia monowarstwowej powłoki TiN obserwowano przy obciążeniu 4 N (rys. 2a). Wzrost nacisku do 30 N nie powodował powstawania pęknięć adhezyjnych (rys. 2b). W przypadku monowarstwowej powłoki a-c:h przy obciążeniu 1 N pojawiły się pierwsze pęknięcia kohezyjne (rys. 2c). Wzrost obciążenia do 3 N powodował pojawianie się pierwszych pęknięć adhezyjnych i delaminacji powłoki (rys. 2d). Obciążenie 5 N spowodowało znaczącą intensyfikację procesu pękania (rys. 2e). Pierwsze pęknięcia wielowarstwowej powłoki TiN/Ti/a-C:H pojawiły się przy obciążeniu 2 N, czyli niewiele później niż dla pojedynczej a-c:h. Należało się tego spodziewać, ponieważ a-c:h była warstwą zewnętrzną. Spękaniu uległa jedynie wierzchnia (ostatnia od podłoża) warstwa węglowa. Wzrost obciążenia prowadził do intensyfikacji procesu pękania pierwszej warstwy a-c:h, jednak do obciążenia 11 N nie było żadnych oznak usuwania powłoki. Wzrost obciążenia do 23 N prowadzi do pierwszych przetarć powłoki i odsłaniania podłoża (rys. 2).

4 22 PROBLEMY EKSPLOATACJI a) b) TiN Ti podłoże 500 nm 1µm c) 200 nm Podłoże- stal austenityczna Rys. 1. Analiza mikrostruktury powłok przeprowadzona z wykorzystaniem transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM); a) monowarstwowa powłoka TiN; b) monowarstwowa powłoka a-c:h; c) wielowarstwowa powłoka TiN/a-C:H TiN- monowarstwowa 50µm 50µm a-c:h- 50µm 50µm 50µm monowarstwowa TiN/Ti/a-C:H wielowarstwowa 50µm 20µm 50µm Rys. 2. Obraz ścieżek zarysowania powłok uzyskany z użyciem mikroskopu optycznego

5 PROBLEMY EKSPLOATACJI 23 Test na zużycie (kula tarcza) wykazał, że wielowarstwowa powłoka charakteryzowała się niskim współczynnikiem tarcia, zbliżonym do monowarstwowej powłoki a-c:h (rys. 3). 0,3 Współczynnik tarcia 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 TiN 8xTiN/DLC DLC Liczba cykli Rys. 3. Wykres zależności współczynnika tarcia od liczby cykli w teście kula tarcza Analiza mikrostruktury powłok przeprowadzona została po teście statycznym na wciskanie kulistego penetratora. Tego typu test mechaniczny zaprojektowany został w celu odwzorowania naturalnych obciążeń, jakie oddziaływać będą na powłoki w ich rzeczywistym zastosowaniu. Analiza zmian mikrostrukturalnych i propagujących się pęknięć przez powłokę przeprowadzona została na przekroju poprzecznym powłok z wykorzystaniem transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM) (rys. 4). Monowarstwowe powłoki TiN (z metaliczną warstwą buforową) i a-c:h w wyniku przyłożonej siły zewnętrznej uległy kruchemu pękaniu. W przypadku powłok TiN pękanie propagowało się po płaszczyznach najgęstszego ułożenia atomów dla komórki A1, czyli {111}. Wielowarstwowa powłoka TiN/a-C:H uległa silnej deformacji. Niewielki udział metalicznej fazy tytanowej na granicach warstwowych odegrał znaczącą rolę. Obszary powłoki silniej obciążone uległy kruchemu pękaniu. Ich kierunek propagacji był prostopadły do podłoża, natomiast w obszarach słabiej obciążonych pęknięcia rozchodziły się pod kątem, po linii schodkowej, gdzie energia pękania była hamowana na bardzo cienkich metalicznych warstwach Ti poprzez ich plastyczne odkształcenie.

6 24 PROBLEMY EKSPLOATACJI a) b) nm 200 nm c) Miejsce wycięcia cienkiej folii do analizy TEM 1N 10 µ m a-c:h grubość~ 40nm TiN grubość~ 30nm Ti grubość ~ 7nm Ti grubość ~ 7nm 100 nm Rys. 4. Analiza mikrostruktury powłok po mechanicznym teście na wciskanie kulistego penetratora, przeprowadzona z wykorzystaniem transmisyjnej mikroskopii elektronowej TEM: a) monowarstwowa powłoka TiN; b) monowarstwowa powłoka a-c:h; c) wielowarstwowa powłoka TiN/a-C:H Podziękowania Praca wykonana została w ramach realizowanego projektu badawczego Narodowego Centrum Nauki (abbr. NCN) No: 3066/B/T02/2011/40. Powłoki nałożone zostały w Centrum Laserowym Joanneum Research w Austrii. Podsumowanie Monowarstwowa powłoka TiN charakteryzowała się kolumnową strukturą z liczną ilością dyslokacji. Powłoka a-c:h była całkowicie amorficzna. Powłoka wielowarstwowa TiN/a-C:H zbudowana została z naprzemiennie ułożonych warstw TiN i a-c:h. Test na zużycie (kula tarcza) wykazał, że wielowarstwowa powłoka charakteryzowała się niskim współczynnikiem tarcia, zbliżonym do monowarstwowej powłoki a-c:h. Pęknięcia w monowarstwowej powłoce TiN, jak i w poszczególnych warstwach TiN w powłoce wielowarstwowej propago-

7 PROBLEMY EKSPLOATACJI 25 wały się wzdłuż płaszczyzn {111}. Cienkie metaliczne warstwy na granicach powłoki wielowarstwowej odkształcały się plastycznie. Deformacja odbywała się pod kątem 45 0 do kierunku wzrostu krystalitów. Obecność metalicznej fazy spowodowała wzrost kosztu energetycznego propagujących się pęknięć i wzrost odporności powłoki na kruche pękanie w porównaniu do monowarstwowej powłoki TiN. Bibliografia 1. Major Ł., Morgiel J.: TEM analysis of wear of Ti/TiN multi- layer coatings in ball- on- disc test. Key Engineering Materials 409 (2009), Bunshah R.F.: Handbook of Hard Coatings. NP USA, New Jersey Rickerby D.S., Matthews A.: Advanced Surface Coatings; Handbook of Surface Engineering. Chapman and Hall, USA, N.Y., 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), Gupta B.K., Bhushan B.: Micromechanical properties of amorphous carbon coatings deposited by different deposition techniques; Thin Solid Films 270(1995), Major Ł., Morgiel J., Lackner J., Szczerba M.J., Kot M., Major B.: Microstructure Design and Tribological Properties of Cr/CrN and TiN/CrN Multilayer Films. Advanced Engineering Materials 10(2008), J.M. Lackner: Industrially- scaled hybrid Pulsed Laser Deposition at Room Temperature. Published by Orekop, Kraków Recenzent: Marek HETMAŃCZYK Microstructural analysis of wear mechanisms of single-and multi-layer coatings based on the tin and a-c:h composition Key words Multilayer coatings, PLD, wear, microstructure, TEM. Summary Single layered TiN coating was characterized by a columnar structure with a large number of dislocations. a-c: H coating was completely amorphous.

8 26 PROBLEMY EKSPLOATACJI Multi-layer TiN/a-C:H coating was built of TiN and a-c:h layers placed in a sequence way. Wear test (ball-on-disc) showed that the multilayer coating was characterized by a low friction coefficient, similar to single-layered a-c:h coating. Cracks in the single TiN coating and in individual TiN layers in the multilayer coating propagated on {111}planes. Thin metal layers in a multilayer coating plastically deformed. Deformation realized at an angle of 45 0 to the crystallites growth direction. The presence of the metallic phase in the coating increased the energetic cost of propagating crack and the increase of brittle fracture resistance in comparison to single layered TiN coating.