Исследование влияния содержания Та и многослойной архитектуры покрытий на основе системы Ti-Al-Ta-N на их механические и трибологические свойства

В результате исследований было показано, что увеличение содержания Ta позволяет повысить вязкость разрушения и адгезионную прочность покрытий Ti-Al-Ta-N. В то же время, изменение внутренней микроструктуры покрытий способствует снижению износостойкости покрытий с ростом содержания в них тантала. Создание многослойной архитектуры покрытий на основе системы Ti-Al-Ta-N позволяет подавить рост столбчатых зерен через всю толщину покрытия, и, как следствие, существенно повысить их износостойкость по сравнению с однослойным покрытием.

ВВЕДЕНИЕ …………………………………………………………………………………………………. 15

Глава 1. Износостойкие защитные покрытия на основе системы Ti-Al-N …….. 18

1.1 Микроструктура, механические и термические свойства покрытий Ti-Al-N
…………………………………………………………………………………………………………………. 18

1.2 Четырехкомпонентные защитные покрытия ………………………………………… 20

1.2.1 Легирование покрытий Ti-Al-N неметаллами (B, C, Si) …………………… 20

1.2.2 Легирование металлами III-VI групп………………………………………………. 21

1.3 Многослойные защитные покрытия на основе системы Ti1-x-yAlxTayN …. 24

Глава 2. Материалы и методы………………………………………………………………………. 29

Глава 3. Результаты и обсуждение ……………………………………………………………….. 36

3.1 Влияние содержания Ta на механические и трибологические свойства
покрытий Ti1-x-yAlxTayN …………………………………………………………………………….. 36

3.1.1 Фазовый состав и микроструктура покрытий………………………………….. 36

3.1.2 Механические характеристики ……………………………………………………….. 38

3.1.3 Скретч-тестирование ……………………………………………………………………… 41

3.1.4 Трибологические испытания ………………………………………………………….. 43

3.2 Влияние многослойной архитектуры на механические и трибологические
характеристики покрытий …………………………………………………………………………. 46

3.2.1 Фазовый состав и микроструктура многослойных покрытий ………….. 46

3.2.2 Механические характеристики ……………………………………………………….. 49

3.2.3 Скретч-тестирование ……………………………………………………………………… 50

3.2.4 Трибологические испытания ………………………………………………………….. 53

Глава 4. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение
……………………………………………………………………………………………………………………. 56
4.1 Оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения
исследований с позиции ресурсоэффективности и ресурсосбережения………. 57

4.1.1 Анализ конкурентных технических решений ………………………………….. 57

4.1.2 SWOT-анализ ………………………………………………………………………………… 58

4.2 Планирование научно-исследовательских работ ………………………………….. 60

4.2.1 Структура работ в рамках научного исследования ………………………….. 60

4.2.2 Определение трудоемкости выполнения работ ……………………………….. 61

4.2.3 Разработка графика проведения исследования ……………………………….. 61

4.3 Бюджет научно-технического исследования ………………………………………… 64

4.3.1 Расчет материальных затрат научно-технического исследования ……. 64

4.3.2 Расчет амортизации специального оборудования ……………………………. 65

4.3.3 Основная заработная плата исполнителей исследования …………………. 65

4.3.4 Дополнительная заработная плата исполнителей исследования ………. 67

4.3.5 Отчисления во внебюджетные фонды (страховые отчисления) ……….. 67

4.3.6 Накладные расходы ……………………………………………………………………….. 68

4.3.7 Формирование бюджета затрат научно-исследовательского проекта . 68

4.4 Определение ресурсной эффективности исследования …………………………. 69

Глава 5. Социальная ответственность …………………………………………………………… 74

5.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности ………. 74

5.1.1 Специальные правовые нормы трудового законодательства …………… 74

5.1.2 Организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны
исследователя ………………………………………………………………………………………… 75

5.2 Производственная безопасность ………………………………………………………….. 77

5.2.1 Анализ вредных производственных факторов ………………………………… 78

5.2.1.1 Повышенный уровень локальной вибрации …………………………………. 78
5.2.1.2 Повышенный уровень шума ………………………………………………………… 78

5.2.1.3 Недостаточная освещенность рабочего места ………………………………. 79

5.2.1.4 Отклонение показателей микроклимата……………………………………….. 83

5.2.2 Анализ опасных факторов ……………………………………………………………… 84

5.2.2.1 Электрический ток, вызываемый разницей электрических
потенциалов, под действие которого попадает работающий ……………………. 84

5.3 Экологическая безопасность………………………………………………………………… 85

5.4 Безопасность в чрезвычайных ситуациях …………………………………………….. 86

5.4.1. Анализ вероятных ЧС, которые могут возникнуть в лаборатории при
проведении исследований ………………………………………………………………………. 86

5.4.2 Разработка порядка действия в случае возникновения ЧС ………………. 86

5.5 Выводы по разделу ……………………………………………………………………………… 88

ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………………………………………… 89

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ …………………………………………….. 91

Приложение А …………………………………………………………………………………………… 103

2 Materials and methods ……………………………………………………………………………. 104

В работе исследована эволюция микроструктуры и механических свойств
покрытий Ti1-x-yAlxTayN с содержанием Ta от y = 0 до y = 0,65. Установлено, что
с ростом содержания Ta в покрытиях Ti1-x-yAlxTayN происходит изменение их
преимущественной ориентации с (111) на (200), а также зеренной структуры с V-
образной на столбчатую. Показано, что изменение элементного состава и
микроструктуры покрытий приводит к снижению их твердости и модуля Юнга.
В то же время твердость демонстрирует локальный максимум при y = 0,35,
обусловленный развитием в покрытиях Ti0,31Al0,34Ta0,35N максимальных
остаточных сжимающих напряжений. Вязкость разрушения покрытий Ti1-x-
yAlxTayN, напротив, увеличивается с ростом содержания Ta, достигая локального
максимума при y = 0,35.
Методом скретч-тестирования продемонстрировано, что при повышении
содержания Ta от y = 0 до y = 0,35 увеличение вязкости разрушения покрытий
Ti1-x-yAlxTayN способствует повышению их трещиностойкости и адгезионной
прочности. В то же время, дальнейшее увеличение концентрации легирующего
элемента обусловливает более быстрое разрушение покрытий при скретч-
тестировании вследствие значительного снижения их твердости и изгибной
жесткости, которое вызывает рост глубины проникновения индентора в образец
и, как следствие, развитие в покрытиях более сильных напряжений.
Установлено, что, несмотря на повышение трещиностойкости покрытий
Ti1-x-yAlxTayN, с увеличением содержания Та происходит существенное
снижение их износостойкости. Все покрытия, легированные Ta,
продемонстрировали более высокую интенсивность износа, чем покрытие
Ti0,45Al0,55N. Основными причинами этого являются изменение текстуры
покрытий с (111) на (200), которая в материалах на основе TiN характеризуется
меньшей износостойкостью, а также формирование столбчатых зерен с прямыми
ровными границами, способствующими быстрому распространению
усталостных трещин через всю толщину покрытия при циклических нагрузках.
Для повышения износостойкости покрытий Ti1-x-yAlxTayN были
синтезированы многослойные композиции, состоящие из чередующихся
керамических и металлических слоев (Ti0,45Al0,55 и Ta). Установлено, что
введение металлических промежуточных слоев позволило подавить рост
столбчатых зерен через всю толщину покрытий, что обусловило снижение
скорости распространения трещин к подложке. Вязкие металлические слои
также способствовали подавлению распространения трещин в глубь покрытий,
поскольку в них при вершине трещины возникает зона пластической
деформации, резко повышающая энергию разрушения. Еще одним фактором,
снижающим скорость распространения трещин в многослойных покрытиях,
является наличие границ раздела между слоями, которые способствуют
диссипации энергии деформации за отклонения трещин. Суммарное действие
всех указанных факторов обусловило повышение износостойкости
многослойных покрытий Ti0,41Al0,49Ta0,10N/Ti0,45Al0,55 и Ti0,41Al0,49Ta0,10N/Ta по
сравнению с однослойным покрытием Ti0,41Al0,49Ta0,10N.