Magnetronové naprašování vrstev s vylepšenými mechanickými a tribologickými vlastnostmi

Ing. Daniel JAVDOŠŇÁK

Doctoral thesis

Magnetron sputtering of films with enhanced mechanical and tribological properties

Abstract:

Vysoká tvrdost, houževnatost a nízký koeficient tření to jsou základní požadavky pro ochranné materiály proti opotřebení - otěru. Tato disertační práce se zabývá přípravou a charakterizací povlaků na bázi Al-Si a Ti-W (beta-Ti) slitin, W kovu, Al-Si-N a W-N keramik s vylepšenými mechanickými a tribologickými vlastnostmi. Práce je rozdělena do pěti kapitol. Kapitola I uvádí a seznamuje čtenáře s problematikou disertační práce. Kapitola II obsahuje cíle disertační práce. V kapitole III je stručně popsané experimentální zařízení a podmínky vytváření vrstev, a použité experimentální metody k analýze připravených vrstev. Kapitola IV je nejrozsáhlejší - obsahuje popis dosažených výsledků. Tato kapitola je rozdělena do pěti částí (A-E), kde první tři nebyly dosud publikovány a poslední dvě byly publikovány ve formě článků v prestižních mezinárodních časopisech. V části A je zkoumán vliv obsahu Si na strukturu, mikrostrukturu, mechanické a tribologické vlastnosti vrstev na bázi slitiny Al-Si. Zjistilo se, že vrstvy s obsahem Si 95 at.% jsou jemnozrnné nebo amorfní a mají zvýšenou tvrdost až do 15 GPa, a zvýšenou odolnost vůči otěru. Část B se zabývá vlivem mikrostruktury keramických vrstev na bázi Al-Si-N s tvrdostí od 28 do 33 GPa na odolnost proti opotřebení. Mikrostruktura vrstev je řízena obsahem Si ve vrstvách, tj. 4, 10 a 30 at.%. Zjistilo se, že vrstvy se sloupcovou mikrostrukturou mají velmi nízkou odolnost proti opotřebení, kdežto vrstvy s jemnozrnnou a amorfní mikrostrukturou mají vysokou odolnost proti opotřebení. V část C se zkoumá vylepšení přilnavosti vrstev na bázi kovu W (které vykazují vysoké tlakové vnitřní pnutí až 2.8 GPa) k podkladům Si (100) a ocel 15330 pomocí jejich leptání plazmatem, a také při kterých podmínkách naprašování mají vrstvy vylepšené mechanické vlastnosti. Zjistilo se, že plazmové leptání podkladů se zvýšenou ionizací plazmatu pomocí magnetronového výboje se ukazuje jako efektivní způsob k odstranění oxidů a nečistot z povrchu podkladů, a že vrstvy naprašované za podmínek nízké energie iontů a vysoké hustotě plazmatu při výkonové hustotě v pulzu až 100 W/cm2 vykazují vysokou tvrdost až 24.3 GPa. V části D se čtenář dočte, za jakých podmínek se dají připravovat metastabilní slitinové vrstvy na bázi Ti-W se stabilizovanou vysokoteplotní beta-Ti fází, dále o tepelné stabilitě těchto vrstev, a odolnosti kovových (Ti a W) a slitinových vrstev proti praskání. Zjistilo se, že přidáním malého obsahu W (12 at.%) do alfa-Ti s šesterečnou strukturou dochází ke stabilizaci beta-(Ti88W12) fáze s kubickou prostorově středěnou strukturou, že při teplotě žíhání v inertním plynu (Ar) dochází k částečné přeměně struktury na směs fází alfa-(Ti88W12) a beta-(Ti88W12) a ke zvýšení tvrdosti těchto z 5 GPa u beta-(Ti88W12) na 13 GPa u směsi těchto fází. Poslední část E se zabývá strukturou, mikrostrukturou, mechanickými vlastnostmi a tribologickými vlastnostmi při teplotách do 500 °C na vzduchu vrstev na bázi WNx připravených magnetronovým naprašováním se stechiometrií x=N/W v rozsahu od 0 do 1.5. Zjistilo se, že vrstvy s x <= 0.20 vykazuji alfa-W fázi se sloupcovou mikrostrukturou a s x >= 0.27 vykazuji beta-W2N nebo delta-WN fázi a jemnozrnnou mikrostrukturu. Také se zjistilo, že tvrdost a poměr tvrdosti k efektivnímu Youngově modulu H/E* vrstev, a oxidace vrstev silně jejich ovlivňují tribologické vlastnosti. Oxidace vrstev je hodnocena na základě tloušťky vzniklé vrstvy WO3 na povrchu WNx vrstvy, a ukazuje se, že je výrazně odlišná u vrstev WNx s x 0.20 and x 0.27. Kapitola V je věnována závěrům disertační práce. Kapitola VI obsahuje dodatečné výsledky z měření tvrdostí různých materiálů. Kapitola VII sh

Abstract:

High hardness, toughness and low coefficient of friction are the basic requirements for wear-resistant materials. This thesis deals with the preparation and characterization of the films based on Al-Si and Ti-W (beta-Ti) alloys, W metal, Al-Si-N and W-N ceramics with improved mechanical and tribological properties. The thesis is divided into five chapters. Chapter I introduces a reader with the topic of the thesis. Chapter II contains the aims of the thesis. Chapter III briefly describes the experimental equipment and the conditions of the films preparation, and the experimental methods used to analyze the prepared films. Chapter IV is the most extensive and contains a description of the results achieved. This chapter is divided into five parts (A-E), where the first three parts have not been published and the last two parts have been published in a form of papers in prestigious international journals. Part A investigates the influence of Si content on the structure, microstructure, mechanical and tribological properties of Al-Si alloy films. It was found that films containing Si 95 at.% are fine-grained or amorphous, they have an increased hardness up to 15 GPa, and an increased wear resistance. Part B deals with the influence of the microstructure of the Al-Si-N-based ceramic films with hardness from 28 to 33 GPa on wear resistance. The microstructure of the films is controlled by the Si content of the films, i.e. 4, 10 and 30 at.%. It was found that the films with columnar microstructure have very low wear resistance, whereas the films with fine-grained and amorphous microstructure have high wear resistance. Part C investigates the enhancement of adhesion of W-based films to Si (100) and 15330 substrates by their plasma etching, and investigates the sputtering conditions under which the films have enhanced mechanical properties. It was found that the plasma etching of substrates by using enhanced plasma ionization with magnetron discharge proves to be an effective way to remove oxides and impurities from the substrate surface, and that films sputtered under conditions of low ion energy and high plasma density at pulse power density up to 100 W/cm2 have a high hardness of up to 24.3 GPa. In part D, the reader will found under which conditions it is possible to prepare metastable Ti-W based alloy films with a stabilized high-temperature beta-Ti phase, as well as the thermal stability of these films, and the crack resistance of metal (Ti and W) and alloy films. It was found that the addition of a low W (12 at.%) content into the hexa-structured alpha-Ti stabilizes the beta-(Ti88W12) phase with a body-centered cubic structure. Further, It was found a partial conversion of the beta- (Ti88W12) phase at the annealing temperature in inert gas (Ar) to a mixture both of alpha-(Ti88W12) and beta-(Ti88W12) phases, and to increase the hardness of the films from 5 GPa for beta-(Ti88W12) to 13 GPa for the mixture of both phases. The last part E deals with the structure, microstructure, mechanical and tribological properties at temperatures up to 500°C in air of the WNx-based films prepared by magnetron sputtering with stoichiometry x = N/W ranging from 0 to 1.5. It was found that the films with x <= 0.20 exhibit alpha-W phase with a columnar microstructure and with x > 0.27 exhibit a beta-W2N or delta-WN phase and a fine-grained microstructure. It was also found that the hardness and the ratio of hardness to the effective Young's modulus of H/E* films, and the oxidation of the films, strongly influence their tribological properties. The oxidation is expressed in terms of the thickness of the WO3 scale, and is shown to be significantly different for x <= 0.20 and x >= 0.27 WNx films. Chapter V is devoted to the conclusions of the thesis. Chapter VI contains additional results from hardness measurements of different bulk materials. Chapter VII summarizes the references used. In Chapter VIII, further publications of the candidate are given.

Abstract:

rnuje použité reference. A v kapitole VIII je shrnuta publikační činnost kandidáta.

Keywords

Magnetronové naprašování, tenké vrstvy, povlaky, tribologické vlastnosti, mechanické vlastnosti, odolnost proti praskání, odolnost proti otěru, slitina, beta-Ti fáze, keramika, Al-Si, Al-Si-N, W, Ti-W, W-N

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 12. 11. 2019

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

• Supervisor: Prof. Ing. Jindřich Musil, DrSc.

University of West Bohemia

Faculty of Applied Sciences

Doctoral programme / field:
Applied Sciences and Computer Engineering / Plasma Physics and Physics of Thin Films