Нанесение пленок

Покрытия наносились в результате PVD-процесса (physical vapor deposition – физического осаждения из паровой фазы) на установке Unicoat 600SL (НПФ «Элан-Практик», Дзержинск), внешний вид которой представлен на рисунке 9. Процесс PVD-покрытия осуществляли в атмосфере инертного газа с содержанием реакционного газа – азота и/или метана при приложении к подложке отрицательного потенциала смещения Uсм.

Напряжение смещения подается на изделия (и соответственно на технологическую оснастку) для обеспечения ионной бомбардировки в процессах ионного нагрева (ионной очистки) и нанесения покрытий. При ионной очистке заряженные ионы оказывают интенсивное воздействие на подложку - “выбивают” с её поверхности остатки загрязнений, распыляют оксидную пленку, нагревают поверхность. Тем самым создаются оптимальные условия для обеспечения хорошей адгезии на границе подложка – покрытие. При нанесении покрытия оно увеличивает плотность и твердость наносимого покрытия, уменьшая при этом его пористость. Различаются эти режимы величиной напряжения (при ионной очистке - 800-1200 В, при нанесении покрытия 50-55 В)

Основа - Ti (адгезионный слой имеется в виду), переходный слой - TiN. Покрытия являются 3D нанокомпозитными, т.е покрытия, структура которых представляет собой объемное распределение двух и более наноразмерных фаз, находящихся в непосредственном контакте друг с другом (в данном случае TiAlN-nc/Si3N4-a). Газы используются на операции создания, так называемого, реактивного слоя: в случае с азотом - нитрид (TiN), с метаном - карбонитрид (TiCN), концентрация газа отвечает за стехиометрию, т.е объемное и массовое соотношение компонентов покрытия. Например, в зависимости от стехиометрии изменяется цвет покрытия, если взять к примеру TiN, с ростом Кn (стехиометрического коэффициента) от серо-золотого до светло-золотистого.

Для улучшения переноса частиц в камере создавали вакуум (10^-3 Па). Заготовки совершали планетарное движение вокруг двух магнетронов, снабженных мишенями из химически чистых материалов – Cr (ЭРХ-1), сплав алюминия с кремнием АК12пч, титан (ВТ1-0). Схема нанесения покрытий изображена на рисунке 10, а магнетрон с титановой мишенью – на рисунке 11.

Рисунок 9 - Установка для нанесения нанокомпозитных покрытий Unicoat 600SL: 1– вакуумная камера, 2- источники питания магнетронов, 3- стойка управления.

Рисунок 10 - Схема нанесения нанокомпозитного покрытия

Рисунок 11 - Магнетрон с титановой мишенью

Пояснения к рисунку10: 1 – магнетроны с постоянными магнитами, 2 – мишени (АК12пч и Сr или Ti), 3 – напыляемый объект, 4 – поток ионов материала, 5 – магнитное поле, ω ₁ – скорость вращения деталей вокруг магнетронов, мин^-1, ω ₂ – скорость вращения деталей вокруг собственной оси, мин^-1.

Покрытия наносились согласно режимам, указанным в таблице 1

Таблица 1 - Параметры технологического процесса нанесения покрытий

Технологическая операция	Определяющие параметры	Контролируемые параметры
Откачка вакуумной камеры	Рбаз = 0.18Па Qн = 0, 2 sccm	Р1, Р2, Р4
Ионная очистка изделий	Рр = 0.18 Па Id = 1.5 – 3 А Uсм = 600 – 1000 В T = 5 – 15 мин	Ii, QAr
Нанесение металлического подслоя	Рр = 0.18 Па Id = 15 – 18 А Uсм = 40 – 70 В T = 25 – 30 мин	Iсм, Ud, QAr
Нанесение реактивного слоя	Рр = 0.18 Па Id = 15 – 18 А Uсм = 40 – 70 В T = 120 – 130 мин Vвр = 10 – 12	Iсм, Ud, QAr, hm
Остывание изделий	Рр= 0.18 Па T = 15 – 20 мин	QAr

Рбаз – базовое давление в камере, при котором осуществлялся технологический процесс, Па; Qн – значение натекания газов при откачке, sccm (sccm - внесистемная единица измерения расхода газа, равная 1 см3/мин), Рр -давление газа в камере при проведении технологической операции, Па; Id – ток разряда, А; Uсм – напряжение смещения, В; Т – время операции, мин; Vвр – скорость вращения, мин-1; Р1 – давление на входе в форвакуумный агрегат, Па; Р2 – давление на выходе диффузионного насоса, Па; Р4 - давление на входе диффузионного насоса, Па; Ii – ионный ток при ионной очистке, А; QAr – расход аргона, sccm; Iсм – ток смещения, А; напряжение разряда, В; hm – глубина эрозии мишени, мм.

Микротвердость покрытий измеряли на нанотвердомере Micro-Combi Tester фирмы CSM. В процессе приложения внешней нагрузки P индентор, представляющий собой четырехгранную алмазную пирамидку Виккерса,

проникал вглубь покрытия перпендикулярно к поверхности образца. Нагрузку равномерно увеличивали от нуля до 0, 05Н, после чего она равномерно уменьшалась, при этом исследуемый поверхностный слой частично или полностью упруго восстанавливался.

Программное обеспечение нанотвердомера автоматически производило вычисления твердости H и модуля упругости Е в соответствии с методикой Оливера-Фарра [2]:

, (1)

где Р_max – максимальная нагрузка; А – площадь контакта индентора с образцом;

, (2)

где Е^* –эффективный модуль упругости системы покрытие-индентор, ν _s – коэффициент Пуассона, для покрытия он равен 0, 3. Эффективный модуль упругости определяется по формуле:

, (3)

где Е_r – приведенный модуль упругости; Е_i – модуль упругости индентора (алмаз–1140 ГПа); ν _i = 0, 07 – коэффициент Пуассона индентора.
Приведенный модуль упругости

, (4)

где S – контактная жесткость при максимальной нагрузке, β = 1, 012 – геометрический фактор, A_p – проекционная площадь контакта, h_c – глубина контакта индентора с образцом при максимальной нагрузке.

Еще одна не менее важная характеристика покрытия, необходимая для оценки износостойкости – величина упругого восстановления W_e, которая находится из следующего соотношения:

, (5)

где h_m – максимальная глубина проникновения индентора, h_r – глубина проникновения индентора после снятия нагрузки.

Таблица 2 – Значения инденторной твердости и модуля упругости покрытий при глубинах h_m и h_r проникновения индентора

Для оценки износостойкости покрытий используют индекс пластичности Н_IT/E*; коэффициент Н_IT³/E*², отражающий сопротивление пластической деформации; коэффициент упругого восстановления W_e. Значения этих величин для каждого покрытия приведены в таблице 3.

Таблица 3 – Параметры износостойкости покрытий

Сравнением полученных результатов установлено, что наиболее износостойким покрытием является покрытие с более высокими значениями индекса пластичности, сопротивления пластической деформации и коэффициента упругого восстановления, а именно нитрид алюминия-кремния-титана (AlSiTi)N.