
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
Несмотря на интенсивное развитие современной науки, многие вопросы,
связанные с задачами трения и износа, по-прежнему, остаются актуальными.
Основным способом повышения эффективности эксплуатации и долговечности
деталей, работающих в узлах трения различных конструкций и механизмов,
является модификация их поверхности. В частности, нанесение на поверхность
изделий износостойких защитных покрытий позволяет значительно улучшить их
механические и трибологические характеристики. При этом ни один из
существующих типов материалов, традиционно использующихся в качестве
защитных покрытий, не обладает полным комплексом необходимых физико-
механических свойств. Двумя основными направлениями решения проблемы
повышения износостойкости защитных покрытий является их легирование
дополнительными химическими элементами и синтез многослойных
композиций, в составе которых чередуются слои различных материалов [1, 2].
Преимущество данных подходов заключается в возможности изменения свойств
покрытий путем варьирования содержания легирующего элемента, а также
комбинирования различных слоев, их количества и толщины.
В данной работе исследуются покрытия Ti1-x-yAlxTayN с различным
содержанием Ta, а также многослойные композиции на основе системы
Ti1-x-yAlxTayN. Среди многообразия многокомпонентных покрытий, обладающих
повышенными твердостью и износостойкостью, наиболее востребованными на
сегодняшний день являются покрытия на основе нитридов переходных
металлов, в особенности – системы Ti-Al-N. Добавление Al в покрытия TiN
позволяет резко увеличить их стойкость к окислению (с 500 оC до 800 оC), а
также обеспечивает сохранение высоких значений твердости и износостойкости
при повышенных температурах [3]. Введение в состав данных покрытий
дополнительных элементов, в частности, легирование Ta, позволяет повысить их
механические характеристики, износостойкость и термическую стабильность
[4].
Создание многослойных композиций, состоящих из чередующихся слоев
различных материалов, позволяет ещё больше повысить физико-механические
свойства защитных покрытий [5]. Наличие границ раздела между слоями,
подавление роста столбчатых зерен, а также различие в механических
характеристиках соседних слоев обеспечивают эффективный механизм
диссипации энергии разрушения, препятствуя распространению трещин вглубь
покрытий, и, как следствие, повышению износостойкости покрытий [6, 7].
Однако существенное влияние на характеристики подобных многослойных
структур оказывают количество и толщина отдельных слоев. Поэтому
надежность и долговечность многослойных покрытий при механических и
трибологических нагрузках в значительной степени определяются их
архитектурой.
В связи с вышеизложенным, целью данной работы является исследование
влияния содержания Ta в покрытиях Ti1-y-xAlxTayN, а также количества и
толщины слоев в многослойных композициях на основе системы Ti 1-y-xAlxTayN
на их механические и трибологические характеристики
Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:
1. Методом реактивного магнетронного распыления нанести покрытия
Ti1-y-xAlxTayN с различной концентрацией Ta
2. Изучить влияние содержания Ta на механические и трибологические
характеристики покрытий Ti1-y-xAlxTayN
3. Синтезировать многослойные покрытия Ti1-y-xAlxTayN/TiAl и
Ti1-y-xAlxTayN/Tа с различной архитектурой слоев
4. Исследовать влияние количества и толщины отдельных слоев на
механические и трибологические свойства покрытий Ti1-y-xAlxTayN/TiAl и
Ti1-y-xAlxTayN/Tа
Положения, выносимые на защиту:
1. Повышение вязкости разрушения покрытий Ti-Al-N за счёт
легирования Ta позволяет существенно увеличить их трещиностойкость и
адгезионную прочность.
2. Введение промежуточных слоев Ti-Al и Ta в покрытия на основе
системы Ti-Al-Ta-N подавляет в них рост столбчатых зерен и обусловливает
отклонение трещин на границах раздела между слоями, способствуя увеличению
износостойкости покрытий.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые было проведено
комплексное исследование механических и трибологических свойств покрытий
Ti1-y-xAlxTayN с содержанием тантала от y=0 до y = 0,65. Впервые
продемонстрировано влияние вязких металлических подслоев TiAl и Ta на
механические и трибологические свойства покрытий на основе системы
Ti1-y-xAlxTayN с различной архитектурой слоев.
Практическая значимость результатов ВКР заключается в разработке и
создании покрытий, использование которых позволяет повысить надежность и
долговечность деталей и механизмов, работающих в условиях сильных
механических и фрикционных нагрузок.
Реализация и апробация работы: результаты, полученные в рамках
выполнения выпускной квалификационной работы, были представлены на VIII
Международной молодежной научной конференции Физика. Технологии.
Инновации ФТИ-2021.
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.
Читать «Исследование влияния содержания Та и многослойной архитектуры покрытий на основе системы Ti-Al-Ta-N на их механические и трибологические свойства»
Последние выполненные заказы
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!