книги / Изучение функциональных свойств многослойных пленок на основе двух- и трехкомпонентных нитридов тугоплавких металлов и их соединений с легкоплавкими металлами и неметаллами

7. Технология получения многокомпонентных многослойных

TiNп.с-•TiNн.с-Ti1–хAlхNн.с•-Ti1–хAlхNн.с (TiNп.с-•TiNн.с-TiхZr1–хNн.с•-TiхZr1–хNн.с)

пленок эффективна для получения градиента физико-механических, коррозионных, износо- и трещиностойких свойств поверхности составных сверл и значительного повышения эффективности нефтедобычи и увеличения скорости проходки скважины.

8. Технология получения многокомпонентных пленок на основе двух- и трехкомпонентных наноструктурированных и поликристаллических TiхZr1–хN, TiC-TiZrN-TiC и Ti1–хAlхN слоев с градиентом физико-механи- ческих, коррозионных, износо-, тепло- и ударостойких свойств позволяет повысить эксплуатационную стойкость горнодобывающего инструмента проходческих комбайнов, обрабатывающих сильвинитовую руду.

9. Технология получения высокоэкономичных многослойных двух-

компонентных Ti-•TiNп.с-TiNн.с•-TiNн.с (Zr-•ZrNп.с-ZrNн.с•-ZrNн.с) пленок по-

казана для улучшения износо-, тепло- и трещиностойких свойств поверхности подшипников скольжения высокоэнергетических машин.

10. Технология получения многокомпонентных многослойных

Ti-TiN-•Zr-ZrN•-Zr-•TiхZr1–хN-Zr•-TiхZr1–хN (Ti-TiN-•Ti-TiN•-Ti1–хAlхN-Ti•- Ti1–хAlхN) пленок позволит значительно улучшить износо- и теплостойкие,

антифрикционные и коррозионные свойства фрез и паяных резцов, эффективность обработки ими труднообрабатываемых материалов.

11. Перед осаждением вновь разработанных МП необходимо проводить многоступенчатую технологию подготовки поверхности ТИ (ПТ) и тестовых образцов.

141

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1.На функциональные свойства слоев и многослойных пленок

вцелом оказывают влияние внешние (метод осаждения; технологические особенности и количество источников плазмы; способ термической обработки подложки; элементный состав, метод изготовления и охлаж-

дения катодов/мишеней) и внутренние (Тподл/Тпл, Тнач.с, Vнагр.с в процессе осаждения, структура, фазовый и элементный состав, свойства слоев

пленок) факторы.

2.Технологии термической обработки подложки перед осаждением МП позволяют устранить последствия технологическо-эксплуатационной наследственности технологических операций и переходов изготовления ТИ и ПТ, управлять температурой подложки, степенью равномерности ее нагрева, а также температурой подслоя, равной температуре начального слоя МП.

3.Процесс структурообразования и дефектообразования материала

взоне эрозии/области распыления однокомпонентных и многокомпонентных композитных катодов/мишеней зависит от температуры плавления, теплопроводности и элементного состава материала, способа охлаждения и изготовления катодов/мишеней и технологических особенностей и количества источников плазмы. Необходимо внедрять способы устранения последствий технологическо-эксплуатационной наследственности технологических операций и переходов изготовления катодов/мишеней и стабилизации процесса структурообразования материала однокомпонентных и многокомпонентных композитных катодов/мишеней.

4.Комплексные методики оценки фазового и элементного состава, термической стабильности и напряжений в многокомпонентных системах на основе нитридов тугоплавких и/или легкоплавких металлов и их соединений с неметаллами позволяют построить фрагмент изотермического сечения фазовой диаграммы равновесия Ti1–хAlхN тройной системы при 1400 К.

5.Фазовые и структурные превращения, изменение элементного состава слоев на основе нитридов элементов III и IV групп Периодической системы зависят от ТехП формирования, технологических особенностей и количества источника плазмы, процессов испарения/распыления катодов/мишеней, термической обработки подложки процесса осаждения слоев МП, выражающиеся в увеличении размера кристаллитов и микронапряжений КР, смене однокомпонентной текстуры на двухили многокомпо-

142

нентную, изменении степени текстурированности слоев пленок, объемных долей кубических c-TiN, c-ZrN и c-TiZrN2 фаз в слоях на основе нитридов тугоплавких металлов (TiN, ZrN и TiхZr1–хN) и гексагональных h-Ti2AlN и h-Ti3Al2N2 фаз – в слоях на основе нитридов тугоплавкого и легкоплавкого металлов (Ti1–хAlхN) и их полной свободной энергии, содержания легирующего металла Zr (Al) и отношения его к содержанию Ti. Зависимость фазового и элементного состава от ТемП осаждения позволяет по фазовому составу слоев пленок определять ТемП его осаждения.

6.МСЗ двух- и трехкомпонентных слоев на основе нитридов тугоплавких и/или легкоплавких металлов устанавливают зависимость их структуры от ТехП и ТемП процесса термической обработки подложки и осаждения, способа изготовления и охлаждения катодов/мишеней, типа и количества источников плазмы. Процесс структурообразования формируемых наноструктурированных и поликристаллических двух-, трех- и многокомпонентных слоев зависит от типа и количества источников плазмы.

7.Комплексная система контроля и управления всеми процессами, участвующими в формировании МП на основе двухкомпонентных TiN, ZrN, трехкомпонентных TiхZr1–хN, Ti1–хAlхN и многокомпонентных Ti-B-Si-N

слоев, обеспечивает комплекс функциональных свойств и наивысшее качество ТИ и ПТ при высокой воспроизводимости результатов. Оптимальные сочетания ТехП и ТемП полностью исключают дефектность формируемых МП и обеспечивают стабильность их эксплуатационных свойств.

8.Структура, фазовый и элементный состав, функциональные свойства двух-, трех- и многокомпонентных слоев нитридов элементов III и IV групп Периодической системы оказывают влияние на функциональные свойства МП. Принцип выбора слоев для получения МП основан на повторении слоев не только различных материалов, но и одного материала различного строения, с комплексом функциональных свойств.

9.Механизм формирования МП с градиентом структуры, фазового

иэлементного состава, комплексом функциональных свойств основан на том, что для получения МП необходимо последовательно осаждать двух-, трех- и многокомпонентные слои нитридов элементов III и IV групп Периодической системы с заданным строением, фазовым и элементным составом, функциональными свойствами.

10.Повторяющиеся слои на основе нитридов элементов III и IV групп Периодической системы сообщают конструкциям МП градиент поверхностных ФМС, ИАС, коррозионных, трещиностойких и теплостойких свойств

инизкую хрупкость.

143

11.Технология получения МП с градиентом структуры, фазового

иэлементного состава и комплексом функциональных свойств основана на комплексной системе контроля и управления всеми процессами, участвующими в формировании МП и обеспечении наивысшего качества ТИ и ПТ при высокой воспроизводимости результатов. Оптимальные сочетания ТехП полностью исключают дефектность формируемых МП и обеспечивают стабильность свойств осаждаемых слоев.

12.МП на основе нитридов элементов III и IV групп Периодической системы рекомендованы к применению в горно- и нефтедобывающей, инструментальной, ремонтной, химической и оборонной промышленности, технологическом машиностроении и авиастроении.

13.Применение МП на основе двухкомпонентных TiN, ZrN, трех-

компонентных TiхZr1–хN, Ti1–хAlхN и многокомпонентных Ti-B-Si-N слоев, получаемых в условиях ЭДИ, МР, ЭДИ+МР, приводит к улучшению ФМС, ИАС, коррозионных, ударо-, тепло- и трещиностойких свойств ТИ и ПТ в технологическом машиностроении, в инструментальном и ремонтном производствах, авиастроении.

14.Для обоснованного выбора составов вновь разработанных МП

иметодов их формирования необходимо проводить детальное изучение процессов изнашивания ТИ и ПТ. Использование МП на основе двухкомпонентных TiN, ZrN, трехкомпонентных TiхZr1–хN, Ti1–хAlхN и многоком-

понентных Ti-B-Si-N слоев для упрочнения и защиты ТИ и ПТ позволит обрабатывать такие сложные материалы, как нержавеющие стали и жаропрочные сплавы.

15.Использование разработанных технологических процессов получения МП на основе двухкомпонентных TiN, ZrN, трехкомпонентных

TiхZr1–хN, Ti1–хAlхN и многокомпонентных Ti-B-Si-N слоев позволит повысить скорость нефтедобычи в 5 раз, стойкость режущего инструмента из быстрорежущих сталей и твердых сталей при обработке аустенитных и жаропрочных сталей, стойкость режущего инструмента при обработке калийной руды, стойкость пар трения топливорегулирующей аппаратуры. Выбор на основании комплексных исследований состава и технологии осаждения разработанных МП позволяет применять их для упрочнения ТИ и ПТ в различных отраслях промышленности.

16.МП на основе двухкомпонентных TiN, ZrN, трехкомпонентных

TiхZr1–хN, Ti1–хAlхN и многокомпонентных Ti-B-Si-N слоев позволят создать серию ТИ и ПТ, существенно превышающих мировой уровень по свойствам и условиям эксплуатации, для машиностроительных, инстру-

144

ментальных, ремонтных предприятий и предприятий нефтяной промышленности. Такой подход не только обеспечит потребности машиностроительных отраслей в России, но и позволит выйти на внешние рынки, используя накопленный опыт и развитые ранее направления по использованию ионно-плазменных методик в электронном машиностроении. Одновременно будут обеспечены возможности технологического перевооружения ряда инструментальных и машиностроительных заводов, где предполагается начать освоение технологий и промышленное производство на их базе ряда перспективных ТИ и ПТ. Многофункциональные МП на основе двухкомпонентных TiN, ZrN, трехкомпонентных TiхZr1–хN, Ti1–хAlхN

имногокомпонентных Ti-B-Si-N слоев могут использоваться для упрочнения и защиты ТИ и ПТ различного назначения, в том числе для предприятий машиностроительного и авиастроительного комплексов.

17.Предполагаемый объект коммерциализации − ТИ и ПТ с термически и химически стойкими (для изделий машиностроения), упрочняющими и износостойкими с пониженным трением (для ТИ и ПТ) многофункциональными МП на основе двухкомпонентных TiN, ZrN, трехком-

понентных TiхZr1–хN, Ti1–хAlхN и многокомпонентных Ti-B-Si-N слоев, получаемых по оптимальным технологиям методами МР, ЭДИ и комбинированным методом, может быть использован для работы на любом технологическом оборудовании нового поколения. Прогнозируемые годовые объемы реализуемой продукции в текущих ценах определяются следующими факторами: обеспечение потребности разработчиков и производителей элементной базы и освоение производства изделий машиностроения

иобрабатывающего инструмента; обеспечение окупаемости вложенных средств в течение 5–7 лет после начала производства. Упрочнение ТИ и ПТ путем осаждения на их поверхность многослойных пленок на основе двух-

компонентных TiN, ZrN, трехкомпонентных TiхZr1–хN, Ti1–хAlхN и многокомпонентных Ti-B-Si-N слоев позволит получить большой экономический эффект.

145

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Каковы особенности строения поликристаллических пленок?

2.В чем заключаются особенности получения ионно-плазменных поликристаллических пленок?

3.Как технологическо-эксплуатационная наследственность процесса изготовления технологического инструмента и пар трения влияет на процесс структурообразования ионно-плазменных поликристаллических пленок?

4.Как технологическо-эксплуатационная наследственность процессов испарения/распыления катодов/мишеней влияет на процесс структурообразования ионно-плазменных поликристаллических пленок?

5.Перечислите технологические и температурные параметры протекания ионно-плазменныхпроцессовформированияполикристаллическихпленок.

6.Как технологические и температурные параметры ионно-плазмен- ных процессов влияют на структуру поликристаллических пленок?

7.Перечислите стадии формирования поликристаллических пленок.

8.Как технологические и температурные параметры ионно-плазмен- ных процессов влияют на стадии их формирования?

9.Как технологические и температурные параметры ионно-плазмен- ных процессов влияют на состав поликристаллических пленок?

10.Как технологические и температурные параметры ионно-плаз- менных процессов влияют на свойства поликристаллических пленок?

11.Перечислите виды дефектов поликристаллических пленок.

12.Перечислите причины дефектообразования в поликристаллических пленках.

13.Как по изменению технологических и температурных параметров можно спрогнозировать структуру ионно-плазменных поликристаллических пленок?

14.Опишите модель Мовчана–Демчишина. Ее применение для прогнозирования структуры поликристаллических пленок? Ее преимущества

инедостатки?

15.Опишите модель Торнтона. Ее применение для прогнозирования структуры поликристаллических пленок? Ее преимущества и недостатки?

16.Опишите модель Белянина. Ее применение для прогнозирования структуры поликристаллических пленок? Ее преимущества и недостатки?

17.Опишите модели Гроновера и Фортуны. Их применение для прогнозирования структуры поликристаллических пленок? Их преимущества

инедостатки?

146

18.Опишите модели Белянина и Инфортуны. Их применение для прогнозирования структуры поликристаллических пленок? Их преимущества и недостатки?

19.Опишите модели Мессиера и Петрова. Их применение для прогнозирования структуры поликристаллических пленок? Их преимущества

инедостатки?

20.Опишите модели Эйзнера, Барна и Адамика. Их применение для прогнозирования структуры поликристаллических пленок? Их преимущества и недостатки?

21.Опишите модель Томпсона. Ее применение для прогнозирования структуры поликристаллических пленок? Ее преимущества и недостатки?

22.Опишите модели Мисжака и Андерса. Их применение для прогнозирования структуры поликристаллических пленок? Их преимущества

инедостатки?

23.Какие существуют способы управления структурой ионноплазменных пленок?

24.Перечислите технические характеристики вакуумной установки полученияполикристаллическихпленокметодомэлектродуговогоиспарения.

25.Перечислите технические характеристики вакуумной установки полученияполикристаллическихпленокметодоммагнетронногораспыления.

26.Как температура двухкомпонентных покрытий зависит от технологических параметров процесса их осаждения, типа и количества источников плазмы?

27.Какие свойства поликристаллических пленок относятся к их эксплуатационным характеристикам?

28.Как процесс структурообразования двухкомпонентных TiN покрытий методом электродугового испарения зависит от тока дуги?

29.Как процесс структурообразования двухкомпонентных TiN покрытий методом электродугового испарения зависит от напряжения смещения на подложке?

30.Как процесс структурообразования двухкомпонентных TiN покрытийметодомэлектродуговогоиспарениязависитотдавлениягазовойсмеси?

31.Как процесс структурообразования двухкомпонентных TiN покрытий методом электродугового испарения зависит от содержания азота

вгазовой смеси?

32.Как процесс структурообразования двухкомпонентных TiN покрытий методом электродугового испарения зависит от расстояния катод– подложка?

33.Как формирование текстуры отражается на рентгенограмме?

147

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Панфилов Ю.В. Нанесение тонких пленок в вакууме // Технологии в электронной промышленности. 2007. № 3. С. 76–80.

2.Francis F. Chen. Industrial applications of low – temperatures plasma physics // Phys. Plasmas. 1995. Vol. 2, nо. 6. P. 2164–2175.

3.Плазменные ускорители / под общ. ред. Л.А. Арцимовича. М.: Машиностроение, 1973. 95 с.

4.Пленки ALN, ZrN, TiZrN: технологические особенности формирования / А.Л. Каменева, Д.В. Александров, А.Ф. Белянин, В.Д. Житковский, М.И. Самойлович // Нанотехнологии и фотонные кристаллы: материалы II межрег. сем. Калуга, 2004. С. 232–249.

5.Структурные и морфологические особенности упрочняющих покрытий, получаемых методами магнетронного распыления и вакуумного испарения / А.Л. Каменева, Д.В. Александров, А.Ф. Белянин, В.Д. Житковский, М.И. Самойлович // Нанотехнологии и фотонные кристаллы: материалы II межрег. сем. Калуга, 2004. С. 126–168.

6.Использование термозащитных покрытий на основе AlN в электронной технике / А.Ф. Белянин, М.И. Самойлович, Д.В. Александров, В.Д. Житковский, А.Л. Каменева // Тонкие пленки в электронике: мате-

риалы XVI междунар. симп. М., 2004. С. 348–354.

7.Пленки AlN как защитное покрытие измерительных датчиков / А.Ф. Белянин, М.И. Самойлович, Д.В. Александров, В.Д. Житковский, А.Л. Каменева // Тонкие пленки в электронике: материалы XVI междунар.

симп. М., 2004. С. 357–359.

8.Многослойные защитные покрытия термопечатающих матриц на основе AlN / А.Ф. Белянин, М.И. Самойлович, Д.В. Александров, В.Д. Житковский, А.Л. Каменева // Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения: материалы междунар. науч.-практ. конф. INTERMATIC– 2004 / МГИРЭА (ТУ). М., 2004. С. 31–34.

9.Пленочные покрытия на основе AlN для измерительных датчиков / А.Ф. Белянин, М.И. Самойлович, Д.В. Александров, В.Д. Житковский, А.Л. Каменева // Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения: материалы междунар. науч.-практ. конф. INTERMATIC−2004 /

МГИРЭА (ТУ). М., 2004. С. 35–37.

10.Панфилов Ю.В. Электронные технологии и вакуумное технологическое оборудование – основа нанотехнологии // Высокие технологии

148

в промышленности России: матералы XI междунар. науч.-техн. конф.

М., 2003. C. 124−130.

11.Каменева А.Л., Сушенцов Н.И., Клочков А.Ю. Модернизация

иавтоматизация промышленного вакуумного оборудования для получения многофункциональных покрытий // Технология металлов. 2010. № 9.

С. 39–43.

12.Corrosion resistance of the biocompatible nitride and carbide thin films / C.M. Cotrut, A. Vladescu, I. Antoniac, A. Kiss, R. Zamfir, C.N. Zoita, M. Braic, V. Braic // European Cells and Materials. 2007. Vol. 13. Suppl. 3. Р. 1473–2262. URL: http: //www.ecmjournal.org/journal/supplements/vol013 supp03/pdf/vol013supp03a34.

13.Каменева А.Л., Клочков А.Ю. Особенности получения наноструктурированных ионно-плазменных пленок с заданными свойствами: моногр. Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2010. 81 с.

14.Методики изучения трибологических характеристик пленок / А.Л. Каменева, Д.М. Караваев, А.В. Пепелышев, Н.В. Пименова // Техно-

логия металлов. 2012. № 2. С. 34–37; № 3. С. 48–52.

15.Разработка процессов получения наноструктурированных ион- но-плазменных пленок с заданными свойствами / А.М. Ханов, А.Л. Каменева, А.Ю. Клочков, Р.С. Новиков // Науч.-иссл. и опытно-констр. работы (НИОКР) / Перм. науч. центр Урал. отд-ния РАН, Администрация Перм. края, Совет ректоров вузов Перм. края. Пермь, 2010. С. 34–35.

16.Разработка и оптимизация технологий получения упрочняющих и защитных покрытий: отчет о НИОКР: в 4 ч. / М-во пром. и природ. ресурсов Перм. края; Перм. гос. техн. ун-т; рук. Анциферов В.Н.; исполн. 1-й части: Ханов А.М., Каменева А.Л., Сушенцов Н.И.; исполн. 2, 3, 4-й частей: Ханов А.М., Каменева А.Л. Пермь, 2006.

17.Нанокристаллические и нанокомпозитные покрытия, структура, свойства / В.М. Береснев, А.Д. Погребняк, Н.А. Азаренков, В.И. Фареник,

Г.В. Кирик // ФИП. 2007. Т. 5, № 1–2. С. 4–27.

18.Сопоставление характеристик вакуумно-дуговых наноструктурных TiN покрытий, осаждаемых при подаче на подложку высоковольтных импульсов / В.М. Шулаев, А.А. Андреев, В.Ф. Горбань, В.А. Столбовой //

ФИП. 2007. Т. 5, № 1–2. С. 94–97.

19.Mayrhofer P.H., Mitterer C., Musil J. Structure property relationships in singleand dual-phase nanocrystalline hard coatings // Surface and Coatings Technology. 2003. Vol. 174–175. Р. 725–731.

20.Manory R.R., Kimmel G. X-ray characterization of TiNх films with CaF2-type structure // Thin Solid Films. 1987. Vol. 150. Р. 277–282.

149

21.Шулаев В.М. Новые результаты исследований причин прироста твердости в наноструктурных покрытиях нестехиометрического кубического нитрида титана // Вестник ХНАДУ. 2010. Вып. 51. С. 130–134.

22.Каменева А.Л., Гусельникова Л.Н. Способы улучшения поверхностных свойств упрочняемых изделий путем стабилизации структуры

исвойств осаждаемых ионно-плазменных пленок // Народное хозяйство республики Коми: науч.-техн. журн. / Воркут. горн. ин-т, филиал С.-Петерб. гос. горн. ин-та им. Г.В. Плеханова (техн. ун-та). Воркута, 2011. Т. 20, № 1. С. 98–102.

23.Каменева А.Л. Роль структуры и фазового состава в формировании физико-механических и трибологических свойств пленок на основе TiN // Вопросы материаловедения. 2012. № 1 (69). С. 58–67.

24.Каменева А.Л. Влияние структуры и фазового состава ионно-плаз- менных поликристалических пленок, формируемых методом магнетронного распыления, на их трибологические, физико-механические и коррозионные свойства // Вестник РГУПС. 2012. № 1. С. 15–22.

25.Влияние покрытий TiN на коррозионное поведение сплава ВК8 / И.И. Замалетдинов, В.И. Кичигин, А.Л. Каменева, А.Ю. Клочков // Коррозия: материалы, защита. 2011. № 6. С. 32–38.

26.Наноструктурированные износостойкие многокомпонентные тонкопленочные покрытия / Ю.В. Панфилов, А.И. Беликов, И.В. Гладышев, А.Л. Каменева, Д.Ю. Демин, Ф.В. Кирюханцев-Корнеев, Л.А. Трофимова, А.П. Оборин, П.А. Ужегов, Е.М. Трофимов // Упрочняющие технологии и покрытия. 2005. № 4. С. 30–34.

27.Каменева А.Л., Караваев Д.М., Сошина Т.О. Улучшение износостойких и антифрикционных свойств пленок на основе TiN путем оптимизации технологии их формирования методом магнетронного распыления // Упрочняющие технологии и покрытия. 2012. № 3. С. 34–38.

28.Экспериментальное изучение свойств упрочняющих тонкопленочных покрытий на основе различных нитридов / А.Л. Каменева, Л.А. Трофимова, А.П. Оборин, П.А. Ужегов, Д.Ю. Демин, Е.М. Трофимов // Молодежная наука Верхнекамья: материалы второй регион. конф. / Березн. фил. ПГТУ. Березники, 2005. С. 67–71.

29.Пути улучшения эксплуатационных свойств функциональных тонкопленочных покрытий за счет изменения условий формирования покрытий ионно-плазменными методами / А.Л. Каменева, Е.А. Шестаков, С.М. Вдовин, Е.М. Трофимов // Молодежная наука Верхнекамья: материалы третьей регион. конф. / Березн. фил. ПГТУ. Березники, 2006. C. 62–66.

150