In-situ анализ многослойных покрытий ZrN/CrN в процессе термического воздействия

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Введение. Современные твердые покрытия сочетают в себе разные свойства, такие как высокая твердость, износостойкость, коррозионная стойкость. В настоящее время послойно нанесённые нитриды циркония и хрома являются перспективными материалами для твердых покрытий. Однако процесс нанесения многослойных покрытий не описан в литературе в достаточном для понимания всех происходящих процессов объеме. Проблема заключается в сложности нанесения толстых слоев многослойных многокомпонентных покрытий с различными физическими характеристиками компонентов покрытия. В первую очередь это касается коэффициента линейного теплового расширения (КЛТР). Поскольку процесс нанесения и эксплуатации покрытий заключается в термическом воздействии, то компоненты покрытия с разным КЛТР со временем будут подвержены растрескиванию и дальнейшему разрушению, что приводит к выходу изделий из строя. Целью работы является in-situ исследование многослойных покрытий ZrN/CrN посредством рентгеноструктурного анализа с использованием синхротронного излучения и изучение качественного поведения микронапряжений многослойных покрытий, полученных плазменно-ассистированным вакуумно-дуговым методом на подложку из сплава ВК8 при термическом воздействии до 750 °С. Методика исследования. В работе исследованы образцы покрытий из нитридов хрома и циркония, нанесенные на подложки из твердого сплава ВК8. Основополагающим методом в работе является рентгеноструктурный анализ с использованием синхротронного излучения. Использованы наиболее распространенные методики для изучения характеристик многослойных покрытий, таких как коэффициент линейного температурного расширения, и качественное определение микронапряжений II рода исследуемых покрытий. Результаты и их обсуждение. Результатом является обеспечение возможности определения в процессе нагрева изменений характеристик многослойных покрытий, таких как изменение параметра кристаллической решетки каждого из компонентов покрытия по отдельности, возможности определения коэффициента теплового расширения компонентов покрытия и качественного определения микронапряжений, а также возможности формирования рекомендаций на основе проведенного анализа к дальнейшему применению технологии нанесения многослойных покрытий с заданными характеристиками.

Об авторах

А. В. Воронцов

Email: vav@ispms.ru
канд. техн. наук, Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, пр. Академический, 2/4, г. Томск, 634055, Россия, vav@ispms.ru

А. В. Филиппов

Email: Andrey.V.Filippov@yandex.ru
канд. техн. наук, Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, пр. Академический, 2/4, г. Томск, 634055, Россия, Andrey.V.Filippov@yandex.ru

Н. Н. Шамарин

Email: shnn@ispms.ru
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, пр. Академический, 2/4, г. Томск, 634055, Россия, shnn@ispms.ru

Е. Н. Москвичев

Email: em_tsu@mail.ru
канд. физ.-мат. наук, Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, пр. Академический, 2/4, г. Томск, 634055, Россия, em_tsu@mail.ru

О. С. Новицкая

Email: nos@ispms.tsc.ru
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, пр. Академический, 2/4, г. Томск, 634055, Россия, nos@ispms.tsc.ru

Е. О. Княжев

Email: zhenya4825@gmail.com
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, пр. Академический, 2/4, г. Томск, 634055, Россия, zhenya4825@gmail.com

Ю. А. Денисова

Email: yukolubaeva@mail.ru
канд. физ.-мат. наук, Институт сильноточной электроники СО РАН, пр. Академический, 2/3, г. Томск, 634055, Россия, yukolubaeva@mail.ru

А. А. Леонов

Email: laa-91@yandex.ru
Институт сильноточной электроники СО РАН, пр. Академический, 2/3, г. Томск, 634055, Россия, laa-91@yandex.ru

В. В. Денисов

Email: volodyadenisov@yandex.ru
канд. техн. наук, Институт сильноточной электроники СО РАН, пр. Академический, 2/3, г. Томск, 634055, Россия, volodyadenisov@yandex.ru

Список литературы

  1. Oxidation behavior, thermal stability, and the coating/substrate interface evolution of CrN-coated Zircaloy under high-temperature steam / J. Liu, Z. Hao, Z. Cui, D. Ma, J. Lu, Y. Cui, C. Li, W. Liu, S. Xie, P. Hu, P. Huang, G. Bai, D. Yun // Corrosion Science. – 2021. – Vol. 185. – P. 109416. – doi: 10.1016/j.corsci.2021.109416.
  2. Reverse engineering of mechanical and tribological properties of coatings: results of machine learning algorithms / D.M. Pashkov, O.A. Belyak, A.A. Guda, V.I. Kolesnikov // Physical Mesomechanics. – 2022. – Vol. 25. – P. 296–305. – doi: 10.1134/S1029959922040038.
  3. A comparative study of CrN, ZrN, NbN and TaN layers as cobalt diffusion barriers for CVD diamond deposition on WC–Co tools / J.P. Manaud, A. Poulon, S. Gomez, Y.L. Petitcorps // Surface and Coatings Technology. – 2007. – Vol. 202. – P. 222–231. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2007.05.024.
  4. Lee D.B., Lee Y.C., Kwon S.C. High temperature oxidation of TiCrN coatings deposited on a steel substrate by ion plating // Surface and Coatings Technology. – 2001. – Vol. 141. – P. 232–239. – doi: 10.1016/S0257-8972(01)01237-3.
  5. Structure and properties of CrN/TiN multilayer coatings produced by cathodic arc plasma deposition on copper and beryllium-copper alloy / A.V. Kolubaev, O.V. Sizova, Y.A. Denisova, A.A. Leonov, N.V. Teryukalova, O.S. Novitskaya, A.V. Byeli // Physical Mesomechanics. – 2022. – Vol. 25. – P. 306–317. – doi: 10.1134/S102995992204004X.
  6. Transient experiments on oxidation and degradation of Cr-coated Zircaloy in steam up to 1600 C / J. Liu, C. Tang, M. Steinbrück, J. Yang, U. Stegmaier, M. Große, D. Yun, H.J. Seifert // Corrosion Science. – 2021. – Vol. 192. – P. 109805. – doi: 10.1016/j.corsci.2021.109805.
  7. Oxidation kinetics of Cr-coated zirconium alloy: Effect of coating thickness and microstructure / E.B. Kashkarov, D.V. Sidelev, M.S. Syrtanov, C. Tang, M. Steinbrück // Corrosion Science. – 2020. – Vol. 175. – P. 108883. – doi: 10.1016/j.corsci.2020.108883.
  8. Discussion on structural parameters of the multilayer ZrC/TaC coatings based on stress analysis and ablation behaviors / D. Hu, Q. Fu, X. Li, L. Zhou, J. Zhang // Surface and Coatings Technology. – 2022. – Vol. 435. – P. 128243. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2022.128243.
  9. Chen Y.I., Lo H.H., Ke Y.E. Thermal stability of laminated Ru–Al/Ru–Si–Zr coatings on Inconel 617 // Surface and Coatings Technology. – 2020. – Vol. 399. – P. 126194. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2020.126194.
  10. Protection of Zr alloy under high-temperature air oxidation: a multilayer coating approach / D.V. Sidelev, M.S. Syrtanov, S.E. Ruchkin, A.V. Pirozhkov, E.B. Kashkarov // Coatings. – 2021. – Vol. 11. – P. 227. – doi: 10.3390/coatings11020227.
  11. Boretius M., Krappitz H., Rass I. Wear protection coatings generated by brazing, sintering and heat treatment in vacuum // Tribologie und Schmierungstechnik. – 2017. – Vol. 64. – P. 35–9.
  12. Gérard B. Application of thermal spraying in the automobile industry // Surface and Coatings Technology. – 2006. – Vol. 201. – P. 2028–2031. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2006.04.050.
  13. High-rate deposition of thick (Cr,Al)ON coatings by high speed physical vapor deposition / K. Bobzin, T. Brögelmann, C. Kalscheuer, T. Liang // Surface and Coatings Technology. – 2017. – Vol. 322. – P. 152–162. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2017.05.034.
  14. Structural aspects of wear resistance of coatings deposited by physical vapor deposition / V.I. Kolesnikov, O.V. Kudryakov, I.Y. Zabiyaka, E.S. Novikov, D.S. Manturov // Physical Mesomechanics. – 2020. – Vol. 23. – P. 570–583. – doi: 10.1134/S1029959920060132.
  15. Microstructures of Ni–AlN composite coatings prepared by pulse electrodeposition technology / F. Xia, H. Xu, C. Liu, J. Wang, J. Ding, C. Ma // Applied Surface Science. – 2013. – Vol. 271. – P. 7–11. – doi: 10.1016/j.apsusc.2012.12.064.
  16. Composition, structure and properties of Mo-N coatings formed by the method of vacuum-arc plasma-assisted deposition / O.V. Krysina, Y.F. Ivanov, N.N. Koval, N.A. Prokopenko, V.V. Shugurov, E.A. Petrikova, O.S. Tolkachev // Surface and Coatings Technology. – 2021. – Vol. 416. – P. 127153. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2021.127153.
  17. Microstructure, high-temperature corrosion and steam oxidation properties of Cr/CrN multilayer coatings prepared by magnetron sputtering / Z. Li, C. Liu, Q. Chen, J. Yang, J. Liu, H. Yang, W. Zhang, R. Zhang, L. He, J. Long, H. Chang // Corrosion Science. – 2021. – Vol. 191. – P. 109755. – doi: 10.1016/j.corsci.2021.109755.
  18. Khamseh S., Araghi H. A study of the oxidation behavior of CrN and CrZrN ceramic thin films prepared in a magnetron sputtering system // Ceramics International. – 2016. – Vol. 42. – P. 9988–9994. – doi: 10.1016/j.ceramint.2016.03.101.
  19. PseudoVoigt, (n.d.). – URL: https://docs.mantidproject.org/nightly/fitting/fitfunctions/PseudoVoigt.html (accessed: 11.04.2023).
  20. Горелик С.С., Расторгуев Л.Н., Скаков Ю.А. Рентгенографический и электроннооптический анализ. – 2-е изд., испр. и доп. – М.: Металлургия, 1970. – 366 с.
  21. Русаков А. Рентгенография металлов. – М.: Атомиздат, 1977. – 480 с.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать


Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».