Нитрид титана свойства


Диссертация на тему «Влияние условий конденсации ионно-плазменного потока на структуру и свойства покрытий нитрида титана» автореферат по специальности ВАК 01. Покрытия нитрида титана: структура и свойства. Микроструктура поверхности покрытий нитрида титана. Фазовый состав и структура покрытий TiN. Преимущественная ориентация роста покрытий нитрида титана. Остаточные напряжения в покрытиях TiN. Твердость покрытий нитрида титана. Выводы по главе 1. Получение и методы исследования поверхностных слоев. Выбор материала и методика исследования. Теория рассеяния рентгеновских лучей. Определение остаточных макронапряжений в тонких плёнках. Измерение микротвёрдости тонких плёнок. Влияние условий конденсации ионно-плазменного потока на структуру и свойства покрытий нитрида титана. Взаимодействие ионов с поверхностью твёрдого тела. Состав и структура модифицированной поверхности. Покрытия, полученные в объеме вакуумной камеры. Покрытия, полученные вблизи катода. Остаточные напряжения и микротвердость TiN-покрытий. Введение диссертации часть автореферата На тему "Влияние условий конденсации ионно-плазменного потока на структуру и свойства покрытий нитрида титана" Актуальность работы. Физические методы получения покрытий в вакууме — наиболее распространённые процессы модификации поверхности. Они основаны на взаимодействии ионов, макро- и атомных частиц, полученных в низкотемпературной плазме, с поверхностью твёрдого тела. Результатом взаимодействия потока частиц в разреженной среде с поверхностью является осаждённая плёнка или изменённая структура поверхности. Это даёт возможность получать покрытия различного состава, проводить ионную очистку и полировку поверхности, травление и формирование прецизионных топологических рисунков в производстве полупроводниковых приборов и микросхем, резисторов, фотошаблонов и т. Сфера применения плазменных технологий распространяется и на другие области техники, например оптику и машиностроение, где они используются для получения полированных поверхностей, упрочнения инструмента, защиты поверхностей износо- и корро-зионностойкими плёнками, создания декоративных покрытий и т. В России среди различных модификаций физических методов нанесения тонкоплёночных покрытий широкое распространение получил процесс конденсации с ионной бомбардировкой КИБ. Он основан на генерации вещества катодным пятном вакуумной дуги при одновременной подаче в вакуумное пространство реактивных газов азота, ацетилена, метана и др. Чаще всего вышеуказанным методом получают покрытия на основе тугоплавких металлов их соединений с азотом, кислородом, углеродом. Метод КИБ используют для получения пленок на основе нитридов и карбонит-ридов переходных металлов IVB группы периодической системы элементов Менделеева Ti, Hf и Zr. Среди них широкое распространение нашли покрытия на основе системы Ti-N. Это связано, прежде всего, с достаточно хорошим сочетанием физико-механических свойств и относительно невысокой стоимостью титана. Основными параметрами получения TiN-покрытий методом КИБ, определяющими свойства конечного продукта, можно назвать ток дуги, потенциал смещения, давления инертного и реакционного газов, материал подложки, температура подложки, время конденсации и тип установки. Они задают состав титан-азотной низкотемпературной плазмы электроны, атомы, молекулы, ионы различной зарядности и макрочастицы эрозии катодакоторый характеризуется неравномерным пространственным распределением. В соответствии с этим, важным параметром, определяющим физико-механические свойства пленок нитрида титана, является также геометрия расположения образцов в вакуумной камере относительно поверхности катода. Несмотря на большое количество работ по исследованию плёнок Тл-И, влияние расстояния «катод-подложка» на структуру и свойства поверхности является недостаточно изученным. При этом во многих работах значения данного параметра не указаны. Целью настоящей работы является получение субмикрокристаллических плёночных систем на основе соединений титана с азотом и выявление закономерностей их формирования, а также исследование атомно-кристаллической структуры, фазового состава и микротвердости, этих плёнок. Задачи настоящей работы можно сформулировать следующим образом: 1. Получение покрытий нитрида титана на стальных подложках методом конденсации с ионной бомбардировкой метод КИБ на установке ННВ-6. Исследование микроструктуры поверхности твердых тел, модифицированных указанным выше методом. Исследование влияния геометрии размещения образцов в вакуумной камере на толщину покрытий нитрида титана. Расчет толщины пленок на плоских подложках, получаемых на установке типа НЫВ по методу КИБ. Рентгенографическое исследование фазового состава системы «пленка-подложка», полученной в объеме вакуумной камеры и вблизи титанового катода при нанесении покрытий нитрида титана. Исследование напряженного состояния и микротвердости по Виккерсу поверхностного слоя, полученного осаждением пленок Тл-М при различной геометрии расположения образцов в вакуумной камере. Объектом исследования являлись покрытия нитрида титана, формируемые на различных металлических подложках стали 08Х18Н10Т и 12Х18Н10Т. Исходя из цели работы и поставленных в ней задач, в качестве предметов исследований были определены структура, микротвердость ТПМ-пленок и процессы, протекающие при формировании покрытия. При выполнении диссертационной работы были использованы следующие методы: рентгенографические, метод аппроксимаций профиля рентгеновской дифракционной линии для определения параметров тонкой кристаллической структуры субструктурыметод БиТу определения величины остаточных напряжений, рентгенофлуоресцентная спектроскопия определения элементного состава, оптическая микроскопия исследования микроструктуры получаемых покрытий, определение микротвердости по Виккерсу. Достоверность результатов исследований и обоснованность выводов обеспечиваются корректностью постановки задачи, использованием современных методов и аппаратуры исследования микроструктуры и свойств изучаемых покрытий, статистической обработкой результатов измерений, полученных в ходе выполнения настоящей работы, их сопоставление с литературными данными. Исследована микроструктура поверхностного слоя стальных подложек с покрытием нитрида титана при различной геометрии расположения их в вакуумной камере. Проведен расчет относительной толщины и анализ её распределения по поверхности подложки при получении ТлЫ-покрытий методом конденсации с ионной бомбардировкой. Исследована зависимость фазового состава и атомно-кристаллической структуры покрытий Тл-Ы от местоположения образцов в объеме вакуумной камеры и времени конденсации. Определены значения микротвердости и на основании рентгенографических данных рассчитана величина сжимающих остаточных напряжений в покрытиях нитрида титана. Практическая значимость и реализация результатов работы 1. Результаты, полученные при выполнении диссертационной работы, могут быть использованы для создания плёнок с заранее заданными атомно-кристаллической структурой и физико-механическими свойствами, 2. Предложенная модель расчета толщины покрытий и её распределения по подложке позволит оптимизировать режимы модификации поверхности различных материалов без проведения дополнительных исследований, что сократит время и экономические затраты. Результаты исследований, являющиеся частью диссертационной работы, были использованы при выполнении следующих НИР: «Исследование на-нокристаллических и аморфных структур при модификации поверхности твёрдых тел ионно-плазменными потоками», «Исследование физических свойств и структуры многокомпонентных чередующихся покрытий нано-метрической толщины, полученных ионно-плазменной обработкой поверхности». Исследуемые покрытия были применены на ОАО « Сарансккабель» г. Саранск при упрочнении поверхности вальцов, изготовленных из Ст45, не подвергнутой предварительной термообработке. Они показали улучшение триботехнических характеристик в 3-5. На защиту выносятся следующие положения 1. Результаты исследований влияния расположения образцов в вакуумной камере и времени конденсации на фазовый состав и структуру тонких плёнок нитрида титана, полученных при конденсации ионно-плазменных потоков. Результаты расчетов толщины покрытия, полученного методом КИБ, при различных расстояниях катод-подложка для установки ионно-плазменного осаждения типа ННВ. Экспериментальные данные о влиянии геометрии расположения подложки в процессе ионно-плазменного осаждения на значения микротвердости и величины остаточных напряжений. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 16 работах из них 3 статьи в журналах по перечню ВАК Россиив материалах различного уровня научно-технических конференций, симпозиумах и школах и реферируемых журналах, список которых приведен в конце автореферата. Основные результаты диссертационной работы представлялись, докладывались и обсуждались на следующих международных, Российских, межрегиональных и республиканских научно-технических конференциях, симпозиумах, школах и семинарах: III международной научно-практической конференции « Фундаментальные и прикладные проблемы физики» Саранск, 2001, 2003 гг. Эффективность и применение» Саранск, 2001 г. Новгород, 2003, 2005 гг. « Вакуумная техника и технология» Казань, 2005 г. Огарёва Саранск, 2003-2008 гг ; XLIV Международной конференции « Актуальные проблемы прочности» Вологда, 2005 г. Работа состоит из введения, трех глав и заключения, изложена на 118 страницах, включает 75 рисунков, 4 таблицы, список литературы из 127 наименований. Во введении представлена характеристика области исследования и обоснована актуальность темы работы. Сформулированы цель и задачи исследования. Излагается краткое содержание диссертационной работы и положения, выносимые на защиту. В первой главе содержится анализ литературных данных о микроструктуре, атомно-кристаллической структуре, напряженном состоянии и микротвердости ионно-плазменных покрытий нитрида титана. Во второй главе приведено описание методики получения исследуемых пленок и методов исследования фазового состава, параметров тонкой кристаллической структуры, макронапряжений и микротвердости покрытий, полученных при ионно-плазменной обработке твердых тел. В третьей главе приводятся результаты исследований о влиянии геометрии расположения образцов в вакуумной камере и времени модификации поверхности твердых тел на атомно-кристаллическую структуру и физико-механические свойства получаемых покрытий системы титан-азот, полученных методом конденсации с ионной бомбардировкой. В заключении приводятся основные выводы, полученные в диссертации. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Состав пленок на образцах, расположенных на оси плазменного потока при осаждении методом конденсации с ионной бомбардировкой, характеризуется наличием лишь одной фазы - 8-Т1Ы с ГЦК решеткой типа ЫаС1. Осаждение покрытий вблизи катодного узла приводит к появлению дополнительной фазы - а-титана ГПУ решетка. Кроме дифракционных линий титана и нитрида титана, в ряде случаев, отмечаются линии, соответствующие интерметаллическому соединению титана с элементами подложки, в частности - Ре2Ть 2. С увеличением расстояния катод-подложка происходит смена преимущественного направления роста плёнок в объеме вакуумной камеры от 111 к направлению 110. Для конденсата, осажденного вблизи катодного узла, наибольшая интенсивность дифракционных линий соответствует отражению от плоскостей 111 и 200. Полученные зависимости объясняются энергетической моделью, в рамках которой появление той или иной преимущественной ориентации связано с изменениями в соотношении между энергиями: деформации, поверхностной и торможения. Экспериментально определена и теоретически рассчитана толщина покрытий полученных при конденсации с ионной бомбардировкой на образцах расположенных в центральной части вакуумной камеры и околокатодном пространстве. Теоретические результаты достаточно хорошо согласуются с полученными экспериментальными данными. Определена зависимость микротвёрдости покрытий нитрида титана и величины остаточных напряжений в них от расположения подложки в вакуумной камере. Напряжения сжатия для плёнок ИЫ, полученных в объеме вакуумной камеры, изменяются от 0. Максимальных значений макронапряжения и твердость достигают при расстоянии около 50 см от поверхности катода. При проведении заводских испытаний на ОАО « Сарансккабель» г. Саранскупрочненные методом КИБ поверхности вальцов для изготовления медных жил кабеля показали увеличение износостойкости в 3-5. Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Панькин, Николай Александрович, 2008 год 1. Разработка технологии создания пористого титанового покрытия на деталях эндопротезов тазобедренного сустава путем плазменного напыления: Дис. Киев: Наукова думка, 1969. Механизм образования и субструктура конденсированных пленок. Effect of partial pressure on the internal stress and the crystallographic structure of r. Fernandez de Rap et all. Применение низкотемпературной плазмы для нанесения тонких плёнок. Теория рассеяния рентгеновских лучей и тепловых нейтронов реальными кристаллами. Закономерности формирования структуры модифицированных поверхностных слоев и покрытий в процессе вакуумной ионно-плазменной обработки сталей и титановых сплавов: Дис. Измерение микротвердости вдавливанием алмазных наконечников. Методы измерения твёрдости — Физика воздействия ионных пучков на материалы. Физико-механические свойства плёнок TiN и опыт их применения в кабельном производстве 102. Материалы нано- микро- и оптоэлектроники: Физические свойства и применение: Сборник трудов 4-й межрегиональной молодёжной научной школы. Плёнки 2005: Материалы Международной научной конференции. Моделирование и оптимизация параметров технологических процессов химического осаждения тонких плёнок из газовой фазы в производстве приборов электронной техники: Дис. Массо- и теплоперенос при осаждении металлических пленок в установке СВЧ-ЭЦР-разряда: Дис. О механизме воздействия внешнего магнитного поля на температуру ионный состав плазмы в вакуумной дуге II Письма в ЖТФ. Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций OCR. В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок. Научная электронная библиотека disserCat — современная наука РФ, статьи, диссертационные исследования, научная литература, тексты авторефератов диссертаций. ООО "Научная электронная библиотека", г.

Смотри также