Влияние термоциклов на напряжения и дефектность в системах: вольфрам-силициды, графит-силициды, графит-вольфрам
Исследовано влияние термоциклов на напряжения и дефектность в покрытиях и поверхностных слоях в системах вольфрам-силициды (1), графит-силициды (2), графит-вольфрам (3) в широком интервале температур. Показано, что в системе 1 наблюдаемая дефектность силицидных покрытий, их разрушение при термоцикла...
Gespeichert in:
| Datum: | 2008 |
|---|---|
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2008
|
| Schriftenreihe: | Вопросы атомной науки и техники |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/110848 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Влияние термоциклов на напряжения и дефектность в системах: вольфрам-силициды, графит-силициды, графит-вольфрам / А.Д. Осипов // Вопросы атомной науки и техники. — 2008. — № 1. — С. 178-180. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-110848 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1108482017-01-07T03:05:12Z Влияние термоциклов на напряжения и дефектность в системах: вольфрам-силициды, графит-силициды, графит-вольфрам Осипов, А.Д. Физика и технология конструкционных материалов Исследовано влияние термоциклов на напряжения и дефектность в покрытиях и поверхностных слоях в системах вольфрам-силициды (1), графит-силициды (2), графит-вольфрам (3) в широком интервале температур. Показано, что в системе 1 наблюдаемая дефектность силицидных покрытий, их разрушение при термоциклах определяется, в основном напряжениями, возникающими вследствие разности коэффициентов термического расширения (КТР) покрытия и основы (напряжения КТР). В системе 2 напряжения, возникающие при образовании новой фазы, значительно превышают напряжения КТР. Досліджено вплив термоциклів на напруження i дефектністъ в покриттях i поверхневих шарах в системах: вольфрам-сіліциди (1) , графіт-сіліциди (2), графіт-вольфрам (3) у широкому inmepвaлi температур. Показано, що в системі 1 дефектність, що виникає в сіліцидних покриттях, визначається, в основному, напруженнями, що виникають внаслідок різниці коефіцієнтів термічного розширення покриття і основи (напруження КТР). В системі 2 напруження, що виникають при утворенні нової фази значно перевищують напруження КТР. Studies were made in to the influence of the thermal cycles on the stress and defect structure in coatings and surface layers of tungsten-silicide (1), graphite-silicide (2), graphite-tungsten (3) systems in a wide range, of temperatures. It is shown that in system 1 the defect structure occurring in silicide coatings is mainly determined by stresses that result from the difference between the coefficients of thermal expansion of the coating and the substrate. In system 2 the stresses arising during formation of the new phase are substantially highen then the stresses due to thermal expansion. 2008 Article Влияние термоциклов на напряжения и дефектность в системах: вольфрам-силициды, графит-силициды, графит-вольфрам / А.Д. Осипов // Вопросы атомной науки и техники. — 2008. — № 1. — С. 178-180. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 1562-6016 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/110848 669.018.45 ru Вопросы атомной науки и техники Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Физика и технология конструкционных материалов Физика и технология конструкционных материалов |
| spellingShingle |
Физика и технология конструкционных материалов Физика и технология конструкционных материалов Осипов, А.Д. Влияние термоциклов на напряжения и дефектность в системах: вольфрам-силициды, графит-силициды, графит-вольфрам Вопросы атомной науки и техники |
| description |
Исследовано влияние термоциклов на напряжения и дефектность в покрытиях и поверхностных слоях в системах вольфрам-силициды (1), графит-силициды (2), графит-вольфрам (3) в широком интервале температур. Показано, что в системе 1 наблюдаемая дефектность силицидных покрытий, их разрушение при термоциклах определяется, в основном напряжениями, возникающими вследствие разности коэффициентов термического расширения (КТР) покрытия и основы (напряжения КТР). В системе 2 напряжения, возникающие при образовании новой фазы, значительно превышают напряжения КТР. |
| format |
Article |
| author |
Осипов, А.Д. |
| author_facet |
Осипов, А.Д. |
| author_sort |
Осипов, А.Д. |
| title |
Влияние термоциклов на напряжения и дефектность в системах: вольфрам-силициды, графит-силициды, графит-вольфрам |
| title_short |
Влияние термоциклов на напряжения и дефектность в системах: вольфрам-силициды, графит-силициды, графит-вольфрам |
| title_full |
Влияние термоциклов на напряжения и дефектность в системах: вольфрам-силициды, графит-силициды, графит-вольфрам |
| title_fullStr |
Влияние термоциклов на напряжения и дефектность в системах: вольфрам-силициды, графит-силициды, графит-вольфрам |
| title_full_unstemmed |
Влияние термоциклов на напряжения и дефектность в системах: вольфрам-силициды, графит-силициды, графит-вольфрам |
| title_sort |
влияние термоциклов на напряжения и дефектность в системах: вольфрам-силициды, графит-силициды, графит-вольфрам |
| publisher |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| publishDate |
2008 |
| topic_facet |
Физика и технология конструкционных материалов |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/110848 |
| citation_txt |
Влияние термоциклов на напряжения и дефектность в системах: вольфрам-силициды, графит-силициды, графит-вольфрам / А.Д. Осипов // Вопросы атомной науки и техники. — 2008. — № 1. — С. 178-180. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
| series |
Вопросы атомной науки и техники |
| work_keys_str_mv |
AT osipovad vliânietermociklovnanaprâženiâidefektnostʹvsistemahvolʹframsilicidygrafitsilicidygrafitvolʹfram |
| first_indexed |
2025-07-08T01:14:32Z |
| last_indexed |
2025-07-08T01:14:32Z |
| _version_ |
1837039377688035328 |
| fulltext |
УПК 669.018.45
ВЛИЯНИЕ ТЕРМОЦИКЛОВ НА НАПРЯЖЕНИЯ И ДЕФЕКТНОСТЬ
В СИСТЕМАХ: ВОЛЬФРАМ-СИЛИЦИДЫ, ГРАФИТ- СИЛИЦИДЫ,
ГРАФИТ-ВОЛЬФРАМ
А.Д.Осипов
Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт»,
г.Харьков, Украина; тел. +38 (057) 335-62-93
Исследовано влияние термоциклов на напряжения и дефектность в покрытиях и поверхностных слоях в
системах вольфрам-силициды (1), графит-силициды (2), графит-вольфрам (3) в широком интервале
температур. Показано, что в системе 1 наблюдаемая дефектность силицидных покрытий, их разрушение при
термоциклах определяется, в основном напряжениями, возникающими вследствие разности коэффициентов
термического расширения (КТР) покрытия и основы (напряжения КТР). В системе 2 напряжения,
возникающие при образовании новой фазы, значительно превышают напряжения КТР.
У систем с покрытиями, которые наносятся
путем силицирования металлов и сплавов в вакууме
или осаждением из газовой фазы, наблюдаются
значительное снижение работоспособности, разру-
шения при термоциклировании в широком интер-
вале температур.
При этом на разрушение могут влиять много
факторов, связанных со свойствами покрытий,
напряжениями, возникающими при образовании
слоев с изменением объема при диффузии компо-
нент, с разностью коэффициентов термического рас-
ширения и др. [1-3].
Возможно также влияние адгезионной проч-
ности, прочностных и пластических свойств, трещи-
ностойкости и др.
Влияние ряда отмеченных факторов у систем, со-
держащих силициды, графит, газофазный вольфрам,
мало изучено, в особенности при работе систем в
экстремальных условиях. Представляет интерес
определение основных факторов, влияющих на со-
противление разрушению покрытий, поверхностных
слоев при изменении температур в широких пре-
делах. Целью данной работы является изучение
влияния термоциклов на напряжения и дефектность
в покрытиях и поверхностных слоях в системах W-
силициды, W-графит, графит-силициды.
МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ
НАПРЯЖЕНИЙ
Для измерения температурной зависимости
эффективных напряжений σн (Т) в системах основа –
покрытие, или поверхностный слой применяли
методику, в которой определяли стрелу прогиба f
образца с покрытием на одной стороне, или при
образовании поверхностного слоя. Использовали
образцы с размерами рабочей части 2х4x(20…
30) мм.
Стрелу прогиба f образца при нагреве регистри-
ровали с помощью датчика. Нагревали образец
печью сопротивления. Температуру регистрировали
термопарой. Устройство помещали в вакуумную ка-
меру которая откачивалась до давления ~10-3 Па.
Величина напряжений в покрытии σп определяется
упрощенным выражением:
σп= 2
1
2
22
Lh
fhECn , (1)
где h1, h2, h – толщины покрытия, основы и их
сумма, соответственно; E2 – модуль упругости осно-
вы; L – длина рабочей части образца, Сn≈1,3.
Формула (1) справедлива в случае бездефектного
покрытия при h1/h2 ≤ 0,1.
Образование дефектов на поверхности, трещин,
изменение адгезионной прочности покрытий и дру-
гие факторы влияют на соотношение (1), что можно
использовать для изучения влияния термоциклов.
На рис.1 показаны температурные зависимости
стрелы прогибы f образцов системы вольфрам
(основа)-силициды вольфрама (покрытие) (сис-
тема 1) при различных режимах термоциклов.
Рис.1. Температурная зависимость стрелы прогиба
f в системе вольфрам (основа)-силициды вольфрама
(покрытие): 1 - нагрев; 2 - охлаждение; 3 - нагрев;
4 – охлаждение
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2008. № 1.
Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (17), с.178 – 180.
178
При нагреве выше ~1100 oC в силицидном
покрытии происходит переход напряжений
растяжения (-σп) в напряжение сжатия (+σп) (кривая
1). Выдержка в области высоких температур
(~1500 oC) приводит к релаксации напряжений
(кривая 2). При охлаждении сильно увеличиваются
напряжения растяжения, наблюдается их скачко-
образное изменение, связанное с образованием тре-
щин в покрытии.
Термоциклирование в интервале температур
~200…1500oC приводит к уменьшению напряжений
растяжения и сжатия (кривые 3, 4). Это может опре-
деляться увеличением дефектности покрытий, сни-
жением связи покрытия с основой. Проведенные
исследования показали, что адгезионная прочность
покрытий после термоциклирования уменьшается.
С целью изучения влияния термоциклов на
вязкость разрушения силицидных покрытий прово-
дили определение критического коэффициента ин-
тенсивности напряжений К1С путем нагружения по-
крытия индентором для измерения твердости и ре-
гистрации критической нагрузки Рк, приводящей к
разрушению края участка покрытия вблизи выреза в
нем.
Проведенные исследования показали, что термо-
циклирование не приводит к существенному сни-
жению трещиностойкости силицидных покрытий.
На рис.2 показаны температурные зависимости
стрелы прогиба f образцов системы графит (основа)-
силицидный слой (SiC) (система 2).
Рис.2. Температурная зависимость стрелы прогиба
f в системах: 1 - графит-карбид кремния
(точки 1 -нагрев; 2 - охлаждение); 2 - графит-
газофазный вольфрам (точки 3 - нагрев)
На основу из графита наносили слой кремния
чистотой 99,99%. Использовали графит марки АРВ.
При повышении температуры выше температуры
~1200 oС сильно увеличиваются напряжения сжатия
σ + (точки 1). Это может определяться образованием
фазы SiC с увеличением объема. При охлаждении и
термоциклировании в интервале температур ~20…
1300 oC изменение напряжений значительно меньше
(точки 2). На рис.2 точки 3 относятся к системе
фторидный вольфрам (покрытие)-графит (основа),
(система 3, W-C). Как видно из рис.2 температурная
зависимость стрелы прогиба f у системы 3
значительно отличается от температурной
зависимости f у системы 2 (графит-Si). Такие
температурные зависимости напряжений могут сви-
детельствовать о том, что температура начала
термического взаимодействия в системе 3 (W-C),
или температура интенсивного образования соеди-
нения WC выше, чем у системы 2 ( Si-C). При этом
величина напряжений в системе 3 определяется, в
основном, разностью КТР W и графита, и в меньшей
мере влияют напряжения, возникающие при обра-
зовании соединения WC на границе раздела основа-
покрытие. Проведенные исследования адгезионной
прочности σсц показывают что, величина предельных
напряжений σп в системе 3 при термоциклах в
интервале температур 200…1500 оС, в значительной
мере определяется прочностью сцепления покрытий
газофазного вольфрама с графитовой основой.
При получении систем с покрытиями с участием
диффузионных процессов в условиях вакуума оса-
ждением компонент из газовой фазы при пони-
женном давлении, при изучении влияния
температур облучения необходимо учитывать много
факторов в частности, изменения атомных связей,
энтальпии образования соединений, вакансий, ра-
боту адгезии, энергию адсорбции, поверхностную
энергию, фазовые превращения, термическое
расширение, хрупкое разрушение и др.
Для таких характеристик известны различные за-
висимости, корреляционные соотношения, которые
включают много величин, и представляет интерес
определить наиболее существенные из них для рас-
сматриваемых систем, материалов.
Можно показать, что некоторые указанные харак-
теристики у ряда материалов можно оценить
используя функции, которые аналогичны содержа-
щимся в эффективном параметре Pbi [3,4], имеющем
при упрощении вид:
Pbi=Pb0 (C1Zb+C2Fz(Z)) FE(Evi)∙Fd(d), (2)
где Pb0 – малоизменяющаяся величина; Zb, Z – числа
электронов связи и зарядовые числа атомов; Fz(Z) ~
Z, FE(Evi)~Ei; Ei – i-я энергия ионизации атомов, эВ
[5]; Fd(d) ~ 1/d, d – межатомные расстояния; C1, C2 –
коэффициенты, учитывающие вклад Zb, Z.
Расчетные температуры плавления th
mT и ряда
соединений AmBn вольфрама циркония (А) с гало-
генами (В) определяются выражением, в котором
основной вклад составляющей
th
mT ~ 5,0)( B
bi
A
bi PP ⋅ ,
где A
biP , B
biP относится к металлам (А) и галогенам
(В) соответственно при С1=1, С2=0 в (1).
ВЫВОДЫ
Показано, что у систем на основе тугоплавких
материалов вольфрам-силициды (1), графит-сили-
циды (2), вольфрам-графит (3) при термоциклах
сильно отличаются напряжения, связанные с обра-
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2008. № 1.
Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (17), с.178 – 180.
179
зованием покрытий, поверхностных слоев, и
напряжения, возникающие вследствие разности КТР
покрытий и основы.
У систем 1 основное влияние на напряжения при
термоциклировании определяется разностью КТР
основы и покрытия.
У систем 2 напряжения, возникающие при обра-
зовании новой фазы, значительно превышают
напряжения, возникающие вследствие разности
КТР. У систем 3 при нагреве величина напряжений
ограничена адгезионной прочностью покрытий.
ЛИТЕРАТУРА
1. Г.В.Самсонов, Л.А.Дворина, Б.М.Рудь Силициды.
М.: «Металлургия», 1979, 272 с.
2. В.Е.Иванов, Е.П.Нечипоренко, В.М.Криворучко,
В.В.Сагалович. Кристаллизация тугоплавких ме-
таллов из газовой фазы. М.: «Атомиздат», 1974,
264с.
3. А.Д. Осипов. Хрупкопластичный переход у сили-
цидов тугоплавких металлов // Порошковая ме-
таллургия. 1992, № 7, с.88-91.
4. Н. Марч, В. Кон, П. Вашишта и др. Теория неод-
нородного электронного газа / Под ред. С.Лунд-
квиста и Н.Марча / Пер. с англ. М.: «Мир», 1987,
400 с.
5. Свойства элементов. В двух частях. Ч.1.
Физические свойства: Справочник. М.:
«Металлургия», 1976, 600 с.
ВПЛИВ ТЕРМОЦИКЛІВ НА НАПРУЖЕННЯ I ДЕФЕКТНІСТЬ В СИСТЕМАХ:
ВОЛЬФРАМ-СІЛІЦИДИ, ГРАФІТ- СІЛІЦИДИ, ГРАФІТ-ВОЛЬФРАМ
О.Д. Ocinoв
Досліджено вплив термоциклів на напруження i дефектністъ в покриттях i поверхневих шарах в системах: вольфрам-
сіліциди (1) , графіт-сіліциди (2), графіт-вольфрам (3) у широкому inmepвaлi температур. Показано, що в системі 1
дефектність, що виникає в сіліцидних покриттях, визначається, в основному, напруженнями, що виникають внаслідок
різниці коефіцієнтів термічного розширення покриття і основи (напруження КТР). В системі 2 напруження, що
виникають при утворенні нової фази значно перевищують напруження КТР.
THE INFLUENCE OF THERMOCYCLES ON THE STRESS AND DEFECT IN
TUNGSTEN - SILICIDE, GRAPHITE-SILICIDE, GRAPHITE-TUNGSTEN SYSTEMS
A.D. Osipov
Studies were made in to the influence of the thermal cycles on the stress and defect structure in coatings and surface
layers of tungsten-silicide (1), graphite-silicide (2), graphite-tungsten (3) systems in a wide range, of temperatures. It is shown
that in system 1 the defect structure occurring in silicide coatings is mainly determined by stresses that result from the
difference between the coefficients of thermal expansion of the coating and the substrate. In system 2 the stresses arising
during formation of the new phase are substantially highen then the stresses due to thermal expansion.
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2008. № 1.
Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (17), с.178 – 180.
180
|