С. А. Вологжанина, А. Ф. Иголкин материалтану оқУ ҚҰралы
Наноқұрылымды қаптамалардың құрылымы және қасиеттері
жүктеу/скачать 8,95 Mb. Pdf көрінісі
|
6 Вологжанина Материалтану. Оқулық
| 24.2.
Наноқұрылымды қаптамалардың құрылымы және қасиеттері Наноқұрылымды қаптамалар ерекше сипаттамалар кешеніне ие: жеке түйіршіктерді бөлу жиектерінің үлес көлемі жоғарылығымен, ішкі түйірлік дтслокация жоқтығымен, кристалл аралық аморфты қабаттамалардың болуымен ерекшеленеді. Наноқұрылымды қаптамаларды термиялық тозаңдау негізінде наноқұрылымдық материалдардың ерекше механикалық жəне физикалық қасиеттерін ( беріктік, соққылық тұтқырлық, коррозиялық төзімділік) пайдалануға мүкіндік береді. Нанокөлемді кристалл түйіршіктердегі атомдар санын түйіршік ішіндегі атомдар санымен салыстыруға болады. Жиектеу аумағының үлесінің ұлғаюына байланысты аумақ бірлігіне тиесілі қоспаның саны ірі көлемді түйіршік материалымен салыстырғанда кішірейеді. Түйіршіктің үстіңгі бетн тазалау біртекті коррозиялық морфологияны қамтамасыз етеді жəне жиектері ірі түйіршікті материалмен салыстырғанда жоғары коррозиялық төзімділікке ие болады. 100 нм –ден көлемі төмен наноқұрылымды қаптамардың физикалық сипаттамалары тез жақсаратындығын зерттеулер көрсетті. Нанокөлемді кристалл түйіршіктердің тек термиялық тұрақтылығы жоғары ғана емес, сонымен бірге олар дислокация қозғалысын тиімді тежейді жəне бұл қаптамаларға тұтқырлық пен ерекше беріктік қасиет береді. Сонымен бірге, нанокөлемді түйіршікті құрылымен қаптаудың (жабу) маңызды жетістігі - қалдық кернеудің төмендеуі əсерінен қалың қаптамалар құруға мүмкіндік беретіндігінде (кей жағдайда олардың қалыңдығы қарапайым материал қаптамалардан төрт есе үлкен). Жоғары жылдамдықты оттегіқұрамды сорғалатуды қолданғанда термиялық шашырату əр алуан үлгідегі наноқұрылымды қаптамалар (никель, суперқорытпалар Ni жəне Cr3C2/NiCr; WC/Co) алуға мүмкіндік береді жəне олардың микроқаттылығы жай материалдарға қарағанда жоғары болады. 478 Қарастырылған əдістерді тиімді қолдануға газ құбырларына термоқорғаныш болатын қаптамалардан бастап машиналардың айналу детальдарының тозуға төзімділігін қамтамасыз ететін технологиялар жиынтығы енеді. Америка деректері бойынша АҚШ өнеркəсібіне наноқұрылымды қаптамалар енгізуден түсетін пайда жылына бірнеше миллиард долларды құрайды. Бұндай технологияның дамуы аэроғарыш өнеркəсібі, реактивті двигательдері жəне автомашина жасау өнеркəсібінде пайдаланылады. Сұйық ракета двигательдері пысылдағының ішкі жолақтарына жылу өткізгіштігі төмен болатын қаптамалар жүргізу олардың пайдалану сипаттамаларын жақсартады. Нығыз дəнекерленген жүйе - көп деңгейлі төсеніш болып табылады. Қаптаманы төсенішпен қосарлауда олардың тығыздығы мен термиялық кеңею коэффциентіндегі айырмашлық қаптамаларда сызаттар торының ұлғаюына əкеледі. Сыртқы конструкцияға өзгеріс əкелмейтіндей етіп, сызаттар түзілуін тежеуге болады. В. Е. Панин жетекшілік жасаған Томск политехникалық университетінің қызметкерлері орындаған зерттеулер нəтижесі бұған мынадай жағдайда қол жеткізуге болатынын анықтады: • тығыз дəнекерленген қаптамаларда нанокристалды құрылым мен төсенішке адгезиясы жоғары болуы керек; • қаптама қалыңдығы нақты сына көлемінен артық болмауы керек, кернеу сипаты қаптамада сызаттың ұлғаюына нақты ықпал етуі керек; • қаптама бөлігінің үстінде –төсеніште «шахмат тақтасындай» таралу болуы керек; • жылу қорғау бөлігінің бетінің астында релаксациялық қабілеті бар жəне тарамдалған беті бар наноқұрылымды қабат түзілуі керек. Қаптама құрылымы мен құрамын өзгертуге бағытталған тиімді тəсіл ретінде жоғары энергиялы ион шоғырымен соққылау жүргізу болып табылады, қаптаманы тереңінен құрылымдық –фазалық құраммен тереңінен өзгертумен синтездеуді атауға болады. Қаптаманы тұндыру вакуумдық шаңдату құрылымында қоректенудің биполярлық көзінен жұмыс жасайтын Ti—Al или Si—Al құймасы нысанынан магнетрон көмегімен өткізіледі. SiAlN жəне TiAlN негізді қаптамалары аргон мен азот газдары қоспасының реактивті ортасында алынады. Төсеніш ретінде мыс парақшаның үлгілері пайданылады. 479 Төсеніштің үстіңгі қабатының наноқұрылымдалуы мынадай жолмен өткізіледі: • шаңдату құрылғысының жұмыс камерасына орнатылған вакуумдық –доғалы көздер көмегімен мыс иондарымен соққы беру арқылы; • 100 Н үлгінің бетіне құралды ультрадыбыс соққымен өңдеуді 27 кГц жəне 20 мкм жиілікті жəне амплитудалық тербелістің статисткалық күшімен жапсыру арқылы. . Нəтижесінде үстіңгі қабат түйіршіктерінің күшті фрагментациясы жүреді де, олар 50...200 нм көлемді жəне бұрышы 10.15 0 болатын блоктарға бөлінеді. Тығыз дəнекерленген қаптамалардың екі деңгейлі жүйесіне жүргізілген сынақтар – металл төсеніш – 20.1 000 0 С температура интервалында қыздыру-салқындату жылдамдығы 20°/с термоциклдеу жағдайында қаптама төзімділігі кернеудің осы аумақта таралуымен анықталатынын көрсетті. SiAlN қаптамалардың қаттылығы аз болғанымен, термоциклдің төзімділігі жоғары болады. Қабат бетін иондық соққылау арқылы наноқұрылымдау жұқа (2мкм) қаптаманың термоциклдік төзімділігін 1,5 – есе ұлғайтады жəне конструкциялық болаттың қажу беріктігін арттыруы мүмкін. Үстіңгі қабатты өзгертудің ең тиімді тəсілі А1В+ и N+ иондарымен имплантациялау жəне ультрдыбыстық созу болып табылады. Наноқұрылымдалған қабат қалыңдығы 5.8 мкм құрайды. А1В+ и N+ иондарымен имплантациялауда 1Х15Н4АМЗ-Ш болаттың микроқаттылығы 4,4 ГПа –дан 5,6 ГПа жəне соған сəйкес 4,8 ГПа –ға ұлғаяды. 1Х15Н4АМЗ- Ш болатты ультрадыбыстық өңдеуде микроқаттылығы 5,2 Гпа –ға дейін, ал 30ХГСН2А болатта -4 –тен 5,1 ГПа дейін ұлғаяды. Зерттеліп отырған наноқұрылымды материалдардың үлгілерін созғандағы болаттың механикалық қасиеттері 24.1 кестеде келтірілген. Келтірілген деректерге жүргізілген талдау наноқұрылымдық үстіңгі қабаттың түзілуі зерттелуші материалдың беріктік шектеуіне 0 0 жəне ағым шектеуіне біршама əсер ететіндігін көрсетті. Циклдік жүктеу жағдайында мұндай наноқұрылымдық қабаттардың қалыптасуы зерттелетін материалдың қажу сипаттарына оңды əсерін тигізеді. 1Х15Н4АМЗ-Ш болаттың қажу беріктігі А1В+ иондарымен имплатациялауда 106 жиілікте 700 Мпа –дан 880 МПа –ға дейін жоғарылайды. Қабаттың наноқұрылымдық беті мезодеңгейде иілгіштік деформациясының дамуын басады жəне қаттылығы жоғары болаттардың үстіңгі бетінде сызаттардың тууы мен даму кернеуін ұлғайтады. 480 |