Бортницька М.О. Закономірності формування та властивості іонно-плазмових покриттів на основі МАХ фаз. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису.
Дисертація на здобуття ступеня доктора філософії за спеціальністю 104 – Фізика та астрономія (Галузь знань 10 – Природничі науки). – Національний науковий центр “Харківський фізико-технічний інститут” Національної Академії Наук України, Харків, 2024.
Технології модифікації поверхні отримали широке застосування, як ефективний спосіб підвищення комплексних характеристик матеріалів. Перспективним матеріалом для багатофункціональних покриттів стійких до високотемпературного окислення, корозії, зношування, опромінення тощо є MAX фази, які поєднують властивості кераміки та металів, що обумовлено їх особливою наношаруватою структурою і комбінованим типом зв'язку. Проте високі температури синтезу MAX фаз є важливою перешкодою для їх широкого застосування. Використання іонно-плазмових методів фізичного осадження може дозволити значно знизити температуру синтезу за рахунок високої енергії частинок, які утворюють покриття. Тому актуальним є розроблення простих і економічних процесів синтезу покриттів з використанням багатокомпонентного катоду, що забезпечує стехіометрію MAX фази.
Представлена дисертаційна робота спрямована на вивчення закономірностей формування структури іонно-плазмових покриттів, які осаджені з катодів на основі MAX фаз системи Ti-Al-С та встановлення зв’язків між параметрами їх синтезу, хімічним складом, структурою і фізико-механічними властивостями.
Вперше проведені комплексні порівняльні дослідження складу, структури та властивостей покриттів, осаджених різними іонно-плазмовими методами з катодів на основі MAX фаз системи Ti-Al-С, що були виготовлені гарячим пресуванням порошкових сумішей. Відпрацьовано процеси осадження якісних покриттів товщиною до 10 мкм на технологічно-значущих підкладках методами: іонного розпилення за допомогою дугового джерела газової плазми, вакуумно-дугового осадження та магнетронного розпилення.
Для досліджень складу і структури катодів та осаджених покриттів використовували рентгенофлуоресцентний аналіз, скануючу електронну мікроскопію з системою рентгеноспектрального енергодисперсійного мікроаналізу, Оже-спектроскопію, рентгеноструктурний аналіз. Визначали наступні властивості матеріалів: нанотвердість та модуль Юнга, опір зношуванню і кавітаційну стійкість, опір фретинг-втомі, стійкість до окислення та електропровідність.
Показано, що МАХ фаза Ti2AlC належить до важкорозпилюваних матеріалів. Коефіцієнт розпилення мішені на основі Ti2AlC іонами Ar+ у 1,5 рази нижчий, ніж мішені з титану, та знижується від 0,7 до 0,2 атом/іон при зменшенні енергії іонів від 1200 до 400 еВ. Внаслідок бомбардування іонами Ar+ на поверхні мішені відбуваються фазові перетворення, пов'язані з розпадом МАХ фази та селективним розпиленням легких елементів.
Встановлено, що при застосуванні катоду (мішені) на основі МАХ фази Ti2AlC магнетронні покриття мають хімічний склад, близький до складу катоду і стовбчасту наноструктуру незалежно від потужності розряду в діапазоні 600-2800 Вт. Елементний склад іонних і вакуумно-дугових покриттів при потенціалі підкладки 50 В також практично відповідає складу катоду, однак з ростом потенціалу до 100-200 В відносний вміст алюмінію в покриттях різко падає внаслідок селективного розпилення. Основною фазою в таких покриттях є твердий розчин алюмінію у кристалічній гратці ТіC, яка має кубічну структуру типу NaCl, що зумовлено низькою температурою підкладки (≤ 450℃), невідповідністю стехіометрії і низькою енергією частинок, що формують покриття.
З’ясовано, що формуванню MAX фаз Ti2AlC та Ti3AlC2 у вакуумно-дугових покриттях сприяють застосування катоду з підвищеним вмістом алюмінію та збільшення потужності іонного бомбардування поверхні росту важкими іонами, чого досягають введенням у вакуумну камеру аргону та/або легуванням матеріалу катода ніобієм (що замінює 10 – 20 ат.% Ti). За легування матеріалу катода оловом (що замінює до 50 ат.% Al) зростання вмісту MAX фази не спостерігали. У разі легування обома елементами, олово пригнічує вплив ніобію на підвищення вмісту MAX фази і стабілізує структуру карбіду ТiC.
Виявлено, що вакуумно-дугове покриття Ti0,65Al0,07C0,28 з двофазною структурою твердих розчинів на основі ТiC+(α-Ti) має опір зношуванню і кавітаційну стійкість у 1,5-2 рази вищі, ніж широко застосовуване покриття TiN. При коефіцієнті тертя 0,5-0,6 питома швидкість зношування покриття Ti0,65Al0,07C0,28 становить 1,26 × 10-4 мм3/Нм за кімнатної температури і зменшується до 7,18 × 10-5 мм3/Нм при 500°С. Легування матеріалу катода ніобієм має негативний вплив на трибологічні характеристики покриттів з двофазною структурою твердих розчинів на основі ТiC+Ti3AlC2. Проте, за легування оловом питома швидкість зношування покриттів зменшується на порядок при температурі 20°C і у 6 разів при температурі 500°C.
