Politechnika Koszalińska

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.01.03.01-00-052/08: Hybrydowe technologie modyfikacji powierzchni narzędzi do obróbki drewna Koszalin, 18 i 25..03.2010

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?).

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.

Wstęp. tot 2 Es ts 1 1 6 1 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

..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) 279-284 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)151-159

wg. M. Bielawski, D. Seo, Residual stress development in UMS TiN coatings, Surface and Coatings Technology 200 (2005) 1476-1482 Naprężenia w funkcji temperatury warstw Al. wg. A. Prószyński, Modyfikacja naprężeń w cienkich warstwach metalicznych, Praca Doktorska, Politechnika Łódzka, 2007

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, 404-407 (2002) 263-268 wg. E. Szeptycka, Metoda wyznaczania naprężeń własnych w powłokach galwanicznych przy użyciu dylatometru, Powłoki Ochronne, 1-3 (113-115) (1992) 33-41

rozwiązania historyczne wg R. Heiner, U Heuberger, A.Pfund, A. Zielonka, Messung und Korrektur von Makrospannungen in galvanischen Schichten, Galvanotechnik, vol. 91 9 (2000) 2483-2493

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

Istota prezentowanej metody

cd. Istoty metody

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) 1270-1274 wg. J.A. Thornton, Thin Solid Films (1989)

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) 6136 6142

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

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

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) 6136 6142

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 1 2 3 5 4 2a 2b

B. płaskownik o długości 30 mm, szerokości 3 mm, grubość (140-170) µm

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)

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

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.

Termomechaniczna analiza z modulacją tempetarury MT TMA

Przykłady zestawień modeli układów podłoże powłoka adhezyjna

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 21 000 elementów, natomiast do dyskretyzacji warstwy 11 000 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.

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

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

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] 2.74 3.79 naprężenia rozciągające w warstwie [GPa] 1.7-3.43 naprężenia zredukowane w podłożu [MPa] 20.1 67 naprężenia rozciągające w podłożu [MPa] -13.1 41.7

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

Eksperymentalne odkształcenia podłoża w funkcji temperatury dla układu Fe-TiN

.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

..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) 253-258 WNIOSEK GENERALNY z obliczeń: Wymagana rozdzielczość pomiarów zmian wydłużenia liniowego podłoża nie mniejsza niż 0,01 µm

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

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 1000. krotnie większą niż z zastosowaniem wyłącznie zmian liniowych temperatury układu grzewczego urządzenia badawczego wg Y. Kraftmakher, Modulated Calorimetry and Related Techniques, Elsevier (2002) Przykład: 80 70 60 50 40 30 20 10 0 T o +<q>t+a T sin t T o <q>t A T sin t -10 0 200 400 600 800 1000 1200 Time / s 325 300 275 250 225 200 175 150 125 100 75 50 25 0 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 0,6 200 400 600 800 0,5 Temperature ( o C)

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.

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

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

< 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 6 4 2 2 0 0-2 -4-6 -2-8 -10 8000 10000 12000 14000 Czas / sek -4 8000 10000 12000 14000 Czas / sek

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 7,0 7000 8000 9000 10000 11000 12000 13000 14000 Czas / sek

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.

Re DC 5 20 min 10 8 4 20 4 10 8 3 2 =16 s =64 s 2 4 1 1 0 2 0.5 1 0.5 min 0 1 2 3 4 5 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

Re <AT> ^ / uv x 7,1 6 <qm>=1 C/min,p=20min. <qm>=2, p=10 4 2 < AT > (<qm>) podłoże Fe poziom 300 C plik: ri 2 ampl. modul.=5o C DC <qm>=2.5, p=8 0 0-2 <qm>=40, p= 0.5 <qm>=7.5, p=2.67-4 <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.

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

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

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

< 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

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

Wyżarzanie (odprężanie) izotermiczne w zakresie 20-850 (900) o C i czasie dowolnym.

Temperatura pieca / o C Liniowe zmiany temperatur próbek z szybkościami optymalnymi dla metody ew. połączone z procesami wyżarzania 1000 800 600 400 200 0 0 10000 20000 30000 40000 50000 Czas / sek.

Temperatura pieca / o C Opcje badań diagnostycznych: 1000 1. z wykorzystaniem liniowych zmian temperatury próbek z szybkościami optymalnymi dla metody i ewentualnie połączone z procesami wyżarzania 800 600 400 200 0 0 10000 20000 30000 40000 50000 Czas / sek.

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 900 0 C Substrate annealing T heat. proc. 550 0 C 400 0 C 350 0 C PVD Process TIN 200 o C 6 2 T meas. RT Przykład kolejności sekwencji pomiarowych

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 %

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 85,61 68 66,69 AF_1, 2, 4 CF_5, 6, 7 TF_5, 6, 7 53,14 48 36,65 41,77 28 23,58 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)

% 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)

% 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) 70 60 CF_9,11 (673 II) CF_1,2,3,4(625) CF 1,2 (kpcrn) 62,57 50 48,42 48,21 40 34,62 30 24,89 19,55 20 10 0 po odprężaniu 320oC/godz. (atm. powietrze) 0,60-10 -20-30 -3,62-9,50-20,83 po odprężaniu 520 oc/1 godz. (atm. powietrze) po odprężaniu 650 oc/1godz. (atm. powietrze) -40-50 -60-52,88

% zmian oddziaływań mechanicznych Detekcja wpływu napięcia polaryzacji narzędzi w czasie osadzania powłoki 65 60 55 50 45 40 35 30 % 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 25 20 15 10 5-0,01% 330oC -31,27% 330 oc 7,12% 550 oc 60,58% 550 oc 5,08% 550 oc 43,41% 550 oc 0-5 1 2 3-10 -15-20 -25-30 -35 kolejny proces odprężania

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.

%zmian alpha AC / ppm 1/C 1/oC Detekcja wpływu zastosowania obrotu próbek wokół własnej osi w czasie procesu osadzania 12 10 9,98 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 TF2-1,72-4 -3,52-6 -8-10 -12-11,32

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 2 310 o C/air BS = z obciążeniem podłoża, # podłoża 150 mkrm ES =, bez obciążenia podłoża, # podłoża 260 mkr σt = - 1,85 GPa

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] 1,56 + 157,74 + 156,18 podłoże 5,47 5,84 0-151,61 (δ l = +1,47) + 19 (δ =+6 MPa) bez obc. - 153,0 8 + 13 warstwa - - - -818-839

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

delta L/Lo x 10^(-5) Preparatyka podłoży - detekcja wpływu atmosfery normalizowania 0-25 0,00 0,00-19,77-6,45-26,96 DIL DC delta L/Lo x 10^(-5) podłoże Fe Armco, wycięte z tasiemki -50-75 przed odprężaniem po odprężaniu 320-58,04-54,77-56,19-100 po odprężaniu 550 oc po odprężaniu 650 oc -125-150 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 -175-200 -225-219,10-207,75-250

% 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 21 20 19 18 17 16 15 14 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 19,23 13 12 12,29 11 10 9 8 7 7,64 8,56 6 5 5,20 4 3 2 1 0 1,18 2,82% po odprężaniu 320 oc po odprężaniu 550 oc po odprężaniu 650 oc po odprężaniu 320 oc bis

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

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 8,5 150 175 200 225 250 275 300 325 350 375 400 425 450 475 12,5 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 8,5 150 200 250 300 350 400 450 Temperatura podloza/ o C 10,5 10,0 9,5 9,0 8,5 150 200 250 300 350 400 450 Temperatura podloza / o C

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

Temperatura probki / o C Wskaźnikowanie degradacji oddziaływań mechanicznych powłoki na podłoże z wykorzystaniem rejestracji zmian powierzchi pola pod krzywa alpha m AC 500 400 300 200 100 I. Wersja 0 wskażnikowania 0 10000 20000 30000 40000 50000 Czas /sek

50 45 40 SW7TiNlezak SW7CrCN1 % s 250-450 o C alpha m AC(4) /ppmo C (-1) 35 30 25 20 15 10 5 0 1 2 3 4 Po i-tym wyzarzaniu 520 o C/ 2 godz. air 50 45 SW7TiNlezak,plikSWJ12 SW7CrCN1, plikswcrcn-1 WCG25lezak,plikWCG25-1 FeG25lezak.,plikFe-TiN TiCN TiAlN % s 250-450 o C alpha m AC(4) /ppmo C (-1) 40 35 30 25 20 15 10 5 0 1 2 3 4 5 Po i-tym wyzarzaniu 520 o C/ 2 godz. air

mac / 10-6 0 C -1 II. wersja wskaźnikowania 14 3 rd heating proc. 2 nd heating proc. Fe / TiCN 13 plik: tst17 modul:2(sin10,1) 12 11 10 9 8 1 st heating proc. 200-550 = 26,89% 7 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 Temperature / o C

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 46800 50400 54000 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 21600 25200 28800 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 23,0 21600 25200 28800 Time / sec.

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.

Budapeszt, lipiec, 2007 termomechanika może zaszokować!

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 1.3. 2007-2013

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