MAREK BETIUK, TOMASZ BOROWSKI, KRYSPIN BURDYŃSKI Syntez powłok wieloskłdnikowych (Ti,Al)N, (Ti,Al)C, (Ti, Al)CN w plzmie niskociśnieniowego stłoprądowego wyłdowni łukowego The (Ti,Al.)N, (Ti,Al)C nd (Ti,Al)CN multicompound cotings synthesis in low pressure of DC rc dischrge STRESZCZENIE W prcy pokzno możliwości otrzymywni powłok wieloskłdnikowych typu (Ti,Al)N, (Ti,Al)C, (Ti,Al)CN, których syntez zchodzi w plzmie niskociśnieniowego wyłdowni łukowego. Skłdniki metliczne powłoki otrzymywnej w trdycyjnej metodzie PA PVD-Arc pochodzą z elektrod metlicznych, ich koncentrcj w powłoce zleżn jest od skłdu elektrody. Celem prowdzonych dń ył nliz prolemu odwzorowni skłdu chemicznego elektrody stopowej Ti-Al w strukturze powłok. Bdno również oszr plzmy, rejestrowno sygnł spektrlny plzmy, w którym nlizowno linie spektrlne Ti i Al. Syntezę powłok przeprowdzono w tmosferch rektywnych N 2, C 2 H 2, N 2 +C 2 H 2 z użyciem elektrody Ti 50 Al 50 (50:50 t. %), przy stłych prmetrch technologicznych procesu : prąd łuku 50 A, npięcie polryzcji -200 V, czs syntezy 10 min, sumryczne ciśnienie 2 P. Mteriłem pokrywnym ył ulepszn cieplnie stl C10. WSTĘP Aluminiozotki i luminiowęgliki tytnu (Ti,Al)N, (Ti,Al)C są mteriłmi powłokowymi, które zczynją odgrywć ogromn rolę w przemyśle nrzędziowym i mszynowym. Dotychczs stosowne powłoki typu TiN i TiCN posidją istotne ogrniczeni związne z wysokotemperturową trwłością eksplotcyjną w wrunkch trci. Wrstwy te utleniją się w tmosferze powietrz w temperturze 400 600 C. Grnicę trwłości eksplotcyjnej wyższą od 700 C m fz TiAlN. Przyczyną tk wysokiej odporności n utleninie fzy TiAlN jest oecność w niej luminium, ędącym tomem sustytucyjnym w podstwowej sieci TiN lu TiC (typu NCl). W podwyższonej temperturze n powierzchni TiAlN tworzy się zwrt wrstw eksplotcyjn Al 2 O 3 ędąc rierą dyfuzyjną dl tlenu tmosferycznego [1 6]. Syntez powłok typu (Ti,Al)N, (Ti,Al)C, (Ti,Al)CN przy wytwrzniu technologią PA PVD-Arc prowdzon jest w środowisku plzmy rektywnej wytwrznej w łukowych źródłch plzmy. Plzm generown jest w plmkch ktodowych n powierzchni elektrod metlicznych ędących ktodmi źródł łukowego. Wysok koncentrcj energii w tym mikrooszrze wywołuje emisję w przestrzeń próżni tomów, jonów, elektronów, fotonów, jk również kropli mteriłu ktody, oszry z nią grniczące stją się miejscem emisji strumieni pr metlicznych. Powierzchni ktody w wyniku ruchu plmki uleg silnej erozji i chrkteryzuje się występowniem krterów, ryzg, mikropęknięć, o rozmirch 10 100 µm. Oecność kropli w strumieniu plzmy generownej łukiem niskiego ciśnieni, ich ilość i wielkość, jest jednym z prmetrów technologicznych decydujących o strukturze tworzonych wrstw. Anliz tworzeni się i emisji kropli z oszru plmki doprowdził do powstni dwóch teorii ich genercji: Dr inż. Mrek Betiuk (etiuk@imp.edu.pl), mgr inż. Kryspin Burdyński Instytut Mechniki Precyzyjnej, Wrszw, mgr inż. Tomsz Borowski Politechnik Wrszwsk, Wydził Inżynierii Mteriłowej ABSTRACT In this study re present the otin of multicompound cots like (Ti,Al)N, (Ti,Al)C nd (Ti,Al)CN due low pressure plsm rc dischrge. The metllic compound of synthesized cots in trditionl method PA PVDArc derived from metllic electrode. The concentrtion of this metllic compound in deposited cots depends of chemicl electrode compound. The im of crried out investigtion were mde the mps of chemicl compositions of TiAl electrode onto chemicl structure deposited cots. In our investigtion we lso nlyzed plsm re, nd registered spectrl signl of plsm plume were occurrence the Ti nd Al spectr lines. The cots synthesis ws executed in rective tmosphere of N 2, C 2 H 2, N 2 + C 2 H 2 with used of electrode Ti 50 Al 50 (50:50 %t). This process proceed under the constnts technologicl prmeters: rc current (50A), polriztion voltge (-200V), time of synthesis (10min.), totl pressure were 2P. Cots were deposited onto steel C10 fter toughening process. model quzi-stcjonrny, model wyuchowy. W modelu emisji quzi-stcjonrnym miejscem emisji kropel jest oszr oddziływni plmki ktodowej z powierzchnią. Inicjcj wyłdowni łukowego zchodzi n wypukłościch lu cząstkch znieczyszczeń, jkie mogą znjdowć się n ktodzie w związku z większą koncentrcją pol elektrycznego w tych oszrch. W wyniku wyłdowni i przepływu prądu o wysokiej gęstości mterił ktody uleg gwłtownemu przegrzniu. Przegrznie mteriłu ktody dochodzi do tempertury, w której nstępuje zjwisko termoemisji elektronowej wywołującej jonizcję i powstnie plzmy. Istnienie spdku ktodowego w oszrze plmki ktodowej wywołuje intensyfikcję procesów emisji. Plzm o wysokiej gęstości dochodzącej w dnie piętn ktodowego do 2 10x10 5 P gwłtownie rozszerz się tworząc niestilny knł plzmowy zloklizowny z jednej strony w plmce ktodowej, z drugiej w oszrze przynodowym. Generown plzm osiąg stopień jonizcji liski 100%. Strumienie cząstek neutrlnych powstją w wyniku wyrzucni w przestrzeń kropel i prowni stygnących krterów po plmce ktodowej. Krople emitowne są w wyniku oddziływni ciśnieni plzmy w dnie krteru n znjdującą się tm ciecz. Ciekły metl wyrzucny jest n oszrze krteru, gdzie nstępuje tworzenie kropli. Prędkość kropli jest zmienn od 0,1 m/s do 800 m/s i zleży m.in. od mteriłu [3]. W modelu emisji wyuchowej zkłd się, że miejscem inicjcji kolejnych plmek ktodowych są mikroszczeliny powstjące wokół piętn ktodowego. Mikroszczelin powstje w wyniku silnego skurczu stopionego mteriłu podczs szykiego chłodzeni. Szczeliny te stją się miejscem uprzywilejownym dl termoemisji. Chwilowe ciśnienie plzmy w tym oszrze osiąg wrtość 2x10 10 P, co wywołuje gwłtowną eksplozję i erupcję mteriłu z tego oszru, której produktem są też krople. Powstjące uderzenie kreuje dlsze szczeliny, które stją się miejscem kolejnych eksplozji [3]. 674
METODYKA BADAŃ Syntezę powłok wykonno z pomocą wieloźródłowego stnowisk do procesów PAPVD-Arc typ WU-1B produkcji iłoruskiej. Do dń wykorzystno elektrodę stopową Ti 50 Al 50 (50:50 % t) o średnicy 60 mm i gruości 30 mm produkcji niemieckiej firmy GfE Metlle und Mterilien GmH. Elektrod zostł zmontown w źródle plzmy wyposżonym w pojedynczą, osiową cewkę mgnetyczną stilizującą ruch plmki ktodowej n powierzchni czołowej. Genercję łuku niskociśnieniowego relizowno dodtkową wolfrmową elektrodą zpłonową. Powłoki wytwrzno n polerownych dwustronnie prókch stli C10 o średnicy 20 mm. Mterił ten o niskiej zwrtości pierwistków stopowych zstosowno w celu ułtwieni nlizy skłdu chemicznego powłok. Celem prowdzonych eksperymentów i dń ył nliz: zjwisk zchodzących w mterile elektrody stopowej Ti 50 Al 50 w czsie otrzymywni powłoki TiAlN, prolemu odwzorowywni skłdu stechiometrii elektrody Ti 50 Al 50 w skłdzie chemicznym powłok (Ti,Al)N, (Ti,Al)CN i (Ti,Al)C. Bdni prowdzono w trzech oszrch technologicznych procesu PA PVD -Arc : n powierzchni elektrody źródł plzmy, w przestrzeni plzmy międzyelektrodowej, n powierzchni podłoży pokrywnych. Przeprowdzono syntezę powłok udownych z fz typu (TiAl)C, (TiAl)N i (TiAl)CN w plzmie rektywnej TiAl + C 2 H 2, TiAl + N 2, TiAl+C 2 H 2 +N 2. Podstwowe prmetry technologiczne syntezy powłok zestwiono w teli 1. Schemt stnowisk dwczego przedstwiono n rysunku 1. dyfrktometr rentgenowski XRD: Philips model PW 1830, promieniownie CoK(α) (λ=0,178897 nm), mikroskop optyczny Nikon LV 150. Anlizę plzmy prowdzono z pomocą spektrometru SL 40-2-2048 firmy Solr sprzężonego PC. Zdolności rozdzielcz 1,5 nm w zkresie optycznego widm emisyjnego 199 400 nm. WYNIKI BADAŃ I ICH INTERPRETACJA Bdni powierzchni elektrody źródł plzmy Bdni n mikroskopie świetlnym struktury przekroju poprzecznego erodownej niskociśnieniowym łukiem elektrycznym ktody stopowej Ti 50 Al 50 wykzują istnienie przypowierzchniowej strefy przetopieni o gruości 15 20 µm. W strefie przetopieni oserwuje się wystąpienie licznych pęknięć, również przechodzących w głą mteriłu podłoż (rys. 2). Propgcj pęknięć w głą mteriłu nstępuje po grnicch fz struktury płytkowej. Bdni EDS skłdu chemicznego strefy przetopieni wykzły oecność Al w ilości 48,5% t (34,7% ms.) orz Ti w ilości 51,5% t (65,3% ms.). Wynik tych dń świdczy o tym, że wrunki cieplne pnujące w strefie przetopieni towrzyszące zjwisku plmki ktodowej (prąd 50 A, chłodzenie wodne ktody) nie powodują zuożeni w pierwistki stopowe powierzchni mteriłu ktody. Zuożenie to mogło yć nstępstwem procesów selektywnego prowni i jonizcji w próżni, które to zjwisk rejestrowne są w technologich z wiązką elektronową. Rys. 1. Schemt stnowisk dwczego Fig. 1. The Scheme of the experimentl pprtus Zmienność proporcji Ti-Al w otrzymnych fzch ocenino dl zmiennych prmetrów technologicznych procesu, którymi yły: odległość od trczy elektrody i skłd chemiczny plzmy. Zestwienie nlizownych próek przedstwiono w teli 1. Tel. 1. Prmetry procesu nnoszeni powłok Tele. 1. The coting depositin prmeters Nr Powłok Przepływ gzów rektywnych Npięcie polryzc ji V Prąd łuku A Odległość od trczy elektrody mm 1 TiAlN 100% N 2-200 50 150 2 TiAlN 100% N 2-200 50 200 3 TiAlN 100% N 2-200 50 240 4 TiAlC 100% C 2 H 2-200 50 150 5 TiAlCN 70% C 2 H 2, 30% N 2-200 50 150 Bdni mteriłowe elektrody i powłok wykonno z zstosowniem technik metlogrficznych, mikroskopii elektronowej, nlizy rentgenowskiej. Zstosowno do tego nstępującą prturę: elektronowy mikroskop skningowy firmy Hitchi o zdolności rozdzielczej 3 nm, wyposżony w spektrometr rentgenowski z dyspersją energi EDS-Thermo Norn Vntge. Rys. 2. Struktur elektrody TiAl stref przetopieni: orz w mikroskopie świetlnym orz w mikroskopie elektronowym Fig. 2. Structure of the electrode TiAl, melted zone: opticl microgrphs, SEM microgrphs Bezpośrednio pod strefą przetopieni oserwowne są kolonie zirn o strukturze płytkowej, utworzonej z dwu fz γ-tial, α 2 -Ti 3 Al, jk również oszry jednorodne fzy γ-tial (rys. 3). Anliz skningow struktury stopu elektrody w odległości 100 µm od strefy przetopieni wykzuje istnienie struktury duplex, (rys. 3). Rys. 3. Struktur elektrody TiAl, orz SEM: stuktur duplex, struktur płytkow fz γ-tial + α 2 -Ti 3 Al Fig. 3. Structure of the electrode TiAl, SEM microgrphs: duplex structure, plte structure, γ-tial + α 2 -Ti 3 Al Strukturę tworzą zirn o udowie płytkowej fz γ-tial + α 2 -Ti 3 Al z jednorodnymi zirnmi fzy γ-tial. Występownie struktury duplex w stopie Ti 50 Al 50 nleży wiązć ze zminą stężeni luminium w ojętości elektrody stopowej w zkresie od 46 do 50% t. Efekt ten może yć spowodowny procesem metlurgicznym przy produkcji stopu. Występujące w strefie przetopieni pęknięci wywołne są szokiem termicznym powstjącym podczs wędrówki plmki ktodowej po powierzchni zimnej (chłodzenie wodne) elektrody. Mikroszczeliny Nr 6/2008 I N Ż YNIERIA MATERIAŁ O W A 675
powstją w wyniku silnego skurczu stopionego mteriłu podczs szykiego chłodzeni. Dowodem zchodzeni tego zjwisk w trkcie erozji łukiem jest przykrywnie frkcją kroplową szczelin pęknięć powstjących n orzeżch krterów. Krople przykrywją pęknięci po plmkch ktodowych powstłych wcześniej (rys. 4). Anliz struktury powierzchni ktody nie potwierdz hipotezy inicjcji wyłdowni łukowego (powstnie plmki ktodowej) w mikroszczelinch. Tką hipotezę zkłd model wyuchowy [3]. Krter Kropl Pęknięcie Rys. 4. Mikrofotogrfi SEM powierzchni elektrody TiAl: krter plmki ktodowej, pęknięci n powierzchni ktody Fig. 4. Microphotogrphy SEM of TiAl electrode surfce: crter cthode spot crcks on the electrode surfce Bdni rentgenowskie powierzchni elektrody TiAl po procesie syntezy powłoki typu (Ti,Al)N wykzły, że jej powierzchni zudown jest z fz TiAl, Ti 3 Al orz TiN (rys. 5). Występownie refleksów dyfrkcyjnych od fzy TiN świdczy o zjwisku w dyfuzji zotu do strefy przetopieni. Źródłem zotu jest plzm powstł w procesch jonizcji i wzudzeni N 2. Sygnłów fzy AlN nie zrejestrowno. Rys. 5. Dyfrkcyjn rentgenowsk nliz fzow powierzchni trgetu TiAl (50/50) po syntezie (Ti,Al)N Fig. 5. X-ry diffrction of TiAl electrode surfce fter the (Ti,Al)N synthesis BADANIA PRZESTRZENI PLAZMY MIĘDZYELEKTRODOWEJ Spektrln dignostyk widm plzmy umożliwi w sposó ciągły śledzenie procesów w środowisku plzmowym nie zurzjąc zjwisk zchodzących w dnej przestrzeni. W widmie emisyjnym plzmy identyfikowne są linie i psm pochodzące od mteriłu rozpylnej ktody i gzu rektywnego [7 11]. Bdni spektrlne plzmy międzyelektrodowej pozwlją n identyfikcję tworzących ją cząstek. Intensywność sygnłu spektrlnego umożliwi szcownie populcji cząstek i ich stnów energetycznych orz tworzenie modeli zjwisk elementrnych zchodzących w plzmie rektywnej Ti-Al-N 2 [1 4]. W dnich rejestrowno sygnł spektrlny plzmy Arc generowny n elektrodch Ti, Al, Ti 50 Al 50 orz w środowisku wyłdowni jrzeniowego w tmosferze N 2 -H 2. Zestwienie zrejestrownych sygnłów przedstwiono n rys. 6. Rys. 6. Emisyjny sygnł spektrlny plzmy Arc uzyskiwnej n elektrodch Ti, Al, Ti 50 Al 50 orz w zotowniu jonowym w zkresie 200 400 nm w czsie otrzymywni wrstw Ti, Al, TiAlN, Fe(N)/Fe 4 N Fig. 6. Opticl emission spectr of the cthodic Arc plsm otined in plsm the cthodes Ti, Al, Ti 50 Al 50 nd ion nitriding rining from 200 to 400 nm during the deposition of the lyers Ti, Al, TiAlN, Fe(N)/Fe 4 N Umożliwiło to dokonnie ich nlizy porównwczej. Zidentyfikowne linie spektrlne dl plzmy z elektrod Ti i Al pochodzą od tomów wzudzonych Ti I, Al I orz zjonizownych Ti II Al II, Al III, w widmie N 2 -H 2 identyfikowne jest tkże wzudzenie i jonizcj cząsteczki N 2, (tel 2). Sygnł spektrlny plzmy dl elektrody Ti 50 Al 50 w tmosferze gzu rektywnego N 2 wskzuje n pojwinie się linii wzudzeni i jonizcji Ti I, Ti II, N2 I, N2 II. Linie odpowidjące Al pochodzą jedynie od tomów wzudzonych Al I. Brk populcji cząstek jonizownego Al w plzmie Arc Ti- Al-N potwierdzją dni [9, 10]. Autor prcy [10] wykzł, że ruch tomów luminium w kierunku podłoż jest efektem wyuchowego odprowni w plmkch ktodowych orz ukierunkowni trnsportu w strumieniu jonów tytnu i zotu. Brk oecności populcji cząstek zjonizownego Al skutkowć może zmniejszoną jego koncentrcją w osdznych powłokch typu (Ti,Al)N jk wynikć może ze skłdu chemicznego stosownej elektrody np. Ti 50 Al 50. Tel. 2. Zestwienie linii spektrlnych widm emisyjnego plzmy rc uzyskiwnej n elektrodch Ti, Al, Ti 50 Al 50 orz w zotowniu jrzeniowym Tle. 2. Emission lines of opticl emission spectr of the cthodic rc plsm otined in plsm Ti, Al, Ti 50 Al 50 the cthodes nd ion nitriding Ti Ti I Ti I Ti I Ti I Ti I Ti II Ti II Ti II Ti I λ, nm 323,7 334,7 336,1 337,0 338,6 349,2 368,5 376,0 390,5 TiAlN + + + + + - + + + Al. Al II Al II Al I Al I Al II Al III Al II Al I Al I λ, nm 281,6 286,8 308,4 309,3 358,6 360,1 384,5 394 396 TiAlN - - + + - - - + + N 2 N 2 I N 2 II N 2 I N 2 I N 2 I N 2 I N 2 II N 2 II N 2 I λ, nm 337,1 353,8 357,7 371,0 375,5 380,5 388,4 391,4 399,8 TiAlN + + + - - - - - - (+) rejestrowny sygnł spektrlny n elektrodzie Ti 50 Al 50, (-) nie rejestrowny sygnł n elektrodzie Ti 50 Al 50 BADANIA POWIERZCHNI PODŁOŻY POKRYWANYCH Strumień plzmy niskociśnieniowego wyłdowni łukowego pozwionego filtrcji jest niejednorodny fzowo. Skłd się on z cząstek jonizownych wzudzonych, pr metlu, frkcji fzy ciekłej tworzonej przez krople i stłej związnej z pyłem. Źródłem pyłu jest kondenst powłok, o niskiej dhezji, powstjących n ścinch i oprzyrządowniu komory próżniowej. W prcch nd technologią kontrolownej syntezy powłok dąży się do otrzymywni struktur 676
w procesie krystlizcji z jednorodnej fzy plzmy [1 3]. Zmniejszenie udziłu frkcji kroplowej i pyłowej, uczestniczącej w procesie wzrostu powłok uzyskć możn przy zstosowniu ukłdów filtrcji mgnetycznej, mechnicznej plzmy, zminę konstrukcji źródeł plzmy [1]. Struktur powierzchni powłok (Ti,Al)N otrzymnych w prowdzonym eksperymencie ujwnion n mikroskopie SEM pokzuje, że udził frkcji kroplowej zmniejsz się wrz ze wzrostem odległości od powierzchni elektrody (rys. 7). 150 mm 240 mm węgl n powierzchni i w strefie przetopieni elektrody Ti 50 Al 50, jk możn przypuszczć, redukuje ilość i wielkość frkcji kroplowej. W prcch technologicznych nd powłokmi o wysokiej odporności n utleninie powyżej 700 C otrzymywnych procesch PA PVD z elektrod typu Ti x Al 1-x dąży się do mksymlizcji ilości luminium (60% t.) wudowywnego w fzę TiAlN z zchowniem struktury krystlogrficznej typu RSC o wysokiej twrdości 2800 HV 0,02 [2]. Przeprowdzone dni wpływu skłdu chemicznego otrzymnych powłok typu (Ti,Al)N, (Ti,Al)CN, (Ti,Al)C n zwrtość Ti i Al wykzły jego zróżnicownie. Techniką EDS znlizowno ilość pierwistków Ti, Al w trzech chrkterystycznych oszrch powłoki: powłok ez kropli - nliz punktow, powierzchni powłoki - 100 µm x 100 µm, powierzchni kropli nliz punktow, (rys. 9). Z przeprowdzonej nlizy skłdu chemicznego powłok wynik, że ilość luminium w poszczególnych oszrch powłok zmieni się w zkresie od 37% t. do 52 % t. Rys. 7. Zestwienie mikrofotogrfii (SEM) powierzchni powłok (TiAl)N otrzymnych w odległości 150, 240 mm od trgetu Fig. 7. Microphotogrphy SEM of the (Ti,Al )N cotings surfce fter deposition 150, 240 mm on trget Zjwisko to tłumczyć możn tym, że do powierzchni pokrywnych podłoży docierją jedynie krople, które nie utrciły swej energii kinetycznej i zwrotu wypdkowego wektor prędkości prostopdłego do podłoż. Utrt tych wielkości nstępuje w procesch zderzeń zchodzących w strumieniu plzmy wyłdowni łukowego, ich prwdopodoieństwo rośnie wrz z odległością do ktody źródł. Wytworzon frkcj kroplow n powierzchni ktody źródł plzmy n drodze do podłoż może znjdowć się w stnie ciekłym lu stłym. Oddziłuje on ze środowiskiem plzmy rektywnej. N swej drodze do podłoż może on gromdzić łdunki ujemne (łdownie elektrosttyczne), jk również wchodzić w rekcje chemiczne i dyfuzyjne ze zjonizownymi gzmi rektywnymi. Procesy te wpływją n zróżnicownie udowy morfologicznej kropli. Prowdzony eksperyment pozwolił n otrzymnie powłok w plzmie o różnym skłdzie chemicznym (Ti,Al)N, (Ti,Al)CN, (Ti,Al)C. Plzmę generowno w środowisku sustrtów Ti-Al-N 2, Ti-Al-N 2 - C 2 H 2, Ti-Al-C 2 -H 2. Bdni skningowe powierzchni powłok wykzują, że posidją one zróżnicowną udowę frkcji kroplowej (rys. 8.) Powierzchni Kropl Rys. 9. Zestwienie mikrofotogrfii (SEM) powierzchni powłok (TiAl)N z zznczonym miejscem (+) nlizy skłdu chemicznego powłok metodą punktową EDS. Fig.9 Microphotogrphy SEM of the (Ti,Al )N cotings surfce fter deposition, (+) plce cotings chemicl nlysis, point EDS Stężenie luminium w powłoce zleży od miejsc nlizy, (rys. 10 12). Bdni wykzują, że stężenie luminium w kroplch jest niezncznie wyższe w porównniu z powłoką litą. W przypdku powłok TiAlN i TiAlCN różnic t wyniosł około 4% t. Dl powłoki TiAlC różnic jest większ i osiągnęł wrtość 8% t. Powierzchniow nliz chemiczn powłoki TiAlN w polu o powierzchni 100 µm x 100 µm wykzł istnienie niejednorodność stechiometrii (rys. 10). Oserwowne jest istnienie oszrów silnie zuożonych w luminium. Zloklizowne są one w polu cieniowni strumieni msy przez duże krople. (TiAl)N (TiAl)C Rys. 8. Zestwienie mikrofotogrfii (SEM) powierzchni powłok (Ti,Al)N, (Ti,Al)C Fig. 8. Microphotogrphy SEM of the (Ti,Al )N, (Ti,Al)C cotings surfce Morfologi frkcji kroplowej, jk wynik z przeprowdzonego eksperymentu, zleżn jest od skłdu chemicznego plzmy rektywnej. Wzrost zwrtości węgl w plzmie, np. Ti-Al-N-C związny ze zwiększoną podżą cetylenu, wywołuje zmniejszenie wielkości orz liczy kropli w powłoce (Ti,Al)C (rys. 9). Zjwisko to możn tłumczyć procesmi towrzyszącymi emisji msy do strumieni plzmy z powierzchni elektrody Ti 50 Al 50. Oecność jonów i tomów węgl w plzmie umożliwi tworzenie się n powierzchni elektrody w strefie przetopieni TiC wyżej topliwego w stosunku do TiN orz depozytu węglowego. Wytwrznie fz wysokotopliwych n zie Rys. 10. Mikrostruktur SEM powierzchni powłoki (Ti,Al)N, EDS punktowy z powiechni powłoki nliz Al, Ti Fig. 10. Microphotogrphy SEM of the (Ti,Al)N cotings surfce, the point EDS nlysis of this surfce Al, Ti Bdni ilości luminium w powłoce typu TiAlN otrzymnej w różnych odległościch od źródł plzmy wykzły również zróżnicownie (rys. 11). Njwyższe stężenie luminium w powłoce zrejestrowno w oszrch ez kropli. Wyniosło ono 34% wzjemnego stosunku Al/(Al+Ti) ntomist średni wrtość stężeni luminium w fzie TiAlN wynosi 32%. Z przeprowdzonej nlizy wynik, że przy złożonych prmetrch technologicznych syntezy powłoki (Ti,Al)N nie występuje pełne przeniesienie wzjemnego stosunku Al do Ti jki wynik z stechiometrii elektrody o skłdzie Ti 50 Al 50. W prowdzonym eksperymencie wytworzono powłokę o uśrednionym skłdzie Ti 68 Al 32 N. Jk wykzły dni, nie mniej istotnym czynnikiem wpływjącym n stężenie luminium wudowywnego w powłokę, m skłd chemiczny tmosfery rektywnej. Zoserwowno, że koncentrcj Nr 6/2008 I N Ż YNIERIA MATERIAŁ O W A 677
luminium w powłoce rośnie wrz ze wzrostem zwrtości węgl w tmosferze. Njwiększą koncentrcj tego pierwistk zoserwowno w powłoce (Ti,Al)C. W oszrch ez kropli wyniosł 52% (rys. 11). Szczegółow nliz tego interesującego zjwisk wymg jednk dlszych dń w oszrze plzmy i powierzchni elektrody. Al/(Al+Ti) Ti,Al [ % t] 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 ez kropli kropl średni miejsce nlizy 150 mm 200 mm 240 mm Rys. 11. Wyniki dń skłdu chemicznego powłoki (Ti,Al)N otrzymnej w odległości 150, 200, 240 mm n zwrtość Al w różnych oszrch struktury powłok Fig. 11. The chemicl point EDS of nlysis elements Al, Ti in the (Ti,Al)N cotings s influents of trget distnce Al/(Al+Ti): Ti, Al [% t] 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 ez kropli kropl średni miejsce nlizy (TiAl)N (TiAl)CN (TiAl)C Rys. 12. Wyniki dń skłdu chemicznego powłok (Ti,Al)N (Ti,Al)CN, (Ti,Al)C n zwrtość Al w różnych oszrch struktury powłoki Fig. 12. The chemicl nlysis of point EDS nlysis the (Ti,Al)N (Ti,Al)CN, (Ti,Al)C in different plce the cotings PODSUMOWANIE Plmki ktodowe i ich ruch po powierzchni elektrody TiAl wywołują powstwnie strefy jej przetopieni o gruości od 15 do 20 µm. Powstjące pol tempertury i nprężeń cieplnych mteriłu wokół plmek ktodowych generują mikropęknięci w trkcie procesów erozyjnych n ktodzie. Wrunki cieplne pnujące w strefie przetopieni towrzyszące zjwisku plmki ktodowej, przy prądzie wyłdowni 50 A, nie doprowdzją do intensywnego zuożeni w pierwistki stopowe powierzchni mteriłu ktody Ti 50 Al 50. W strefie przetopieni, tworzonej w tmosferze rektywnej N 2, występują fzy TiAl, Ti 3 Al, TiN. Oecność fzy TiN w strefie przetopieni związn jest z dyfuzją zotu pochodzącego z plzmy rektywnej Ti-Al-N 2. Ilość frkcji uczestniczącej w udowie powłok (Ti,Al)CN, (Ti,Al)C jest zleżn od skłdu chemicznego tmosfery rektywnej. Wzrost zwrtości węgl w plzmie, wpływ n zmniejszenie wielkości i ilości kropli w powłokch. W procesie syntezy powłoki typu (Ti,Al)N w niskociśnieniowym wyłdowniu łukowym (prąd wyłdowni 50 A), n elektrodzie Ti 50 Al 50 przy ciśnieniu tmosfery rektywnej zotu 2 P, nie nstępuje pełne przeniesienie wzjemnego stosunku Al do Ti, jki wynik z stechiometrii elektrody 50/50. W prowdzonym eksperymencie wytworzono powłokę o przyliżonym skłdzie Ti 68 Al 32 N. Brk odwzorowni skłdu elektrody wynik z deficytu strumieni msy luminium docierjącego do podłoż. Zjwisko to wiązć możn z młą dyfuzyjnością cząstek luminium w plzmie. W plzmie Ti-Al-N 2 stwierdz się występownie jedynie cząstek wzudzonych Al I (linie spektrlne 308,4 nm, 309,3 nm, 394 nm, 386 nm), nie rejestrowne są sygnły od jonów A II. Njwiększą koncentrcję luminium zoserwowno w powłoce TiAlC, któr wyniosł 52% w oszrch ez kropli. Szczegółow nliz zjwisk przenoszeni skłdu elektrody jest ndl otwrt i wymg dlszych dń w oszrze powierzchni elektrody plzmy i otrzymywnych powłok z uwzględnieniem roli gzów rektywnych w tym procesie. LITERATURA [1] Trn V. S., Tershin V. I., Timoshenko A. I.: The synthesis of TiAlN composites y condenstion of the different rc plsm flows, Prolems of tomic science nd technology, Khrkov Institute of Physics nd Technology (2005). [2] Tkhr K., Akri K., Kwguchi H.: Current nd Future PVD systems nd Coting Technologies, Kolelco Technology Review No.26 Dec. (2005) 80-85. [3] Snders D. M.: Review ion-sed coting processes derived from the cthodic rc, J.Vc.Sci.Technol. 7 (3) (1989) 2339-2345. [4] Chng Yin-Yu, Yng Shun-Jn, Wng D-Yung: Structurl nd mechnicl properties of AlTiN/CrN cotings synthesized y cthodicrc deposition process, Surfce nd Cotings Technology 201 (2006) 4209-42. [5] Rutkowsk A., Dąrowski M., Mni R.: Wielowrstwowe powłoki zotkowe nnoszone n stle nrzędziowe i węgliki spiekne, Inżynieri Mteriłow 5 (2005) 257-260. [6] Burkowski T.: Areologi powstnie i rozwój, Wydwnictwo Instytutu Technologii Eksplotcji-PIB, (2007). [7] Brudnik A., Czpl A., Posdowski W.: Sterownie procesem rektywnego rozpylni Al. w tmosferze Ar-N2, Modern Plsm Surfce Technology, Politechnik Koszlińsk Mielno (1999) 159-165. [8] Guliński W., Kzimierowicz R., Stśkiewicz J.: Emisyjn spektroskopi plzmy zstosowni do kontroli i sterowni procesem mgnetronowego nnoszeni wrstw TiN, Modern Plsm Surfce Technology, Politechnik Koszlińsk Mielno (1998) 187-189. [9] Bujk J., Wlkowicz J., Kusiński J.: Influence of the nitrogen pressure on the structure nd properties of (Ti,Al)N cotings deposited y cthodic vcuum rc PVD process, Surfce nd Cotings Technology 180-181 (2004) 150-157. [10] Wlkowicz J.: Fizykochemiczn struktur plzmy skłd chemiczny i fzowy wrstw wytwrznych technikimi plzmowej inżynierii powierzchni, Studi i rozprwy, Instytut Technologii Eksplotcji, Rdom (2003). [11] Kułkowsk-Pwlk B., Wlkowicz J., Żyrnicki W., Smolik J.: Plsm prmeters in some industril vcuum rc deposition systems, Vcuum 78 (2005) 59-66. 678