Структура покрытий, сформированных последовательным нанесением наноразмерных слоев титана и углерода

В работе с помощью КР-, РФЭ-, электронной Оже-спектроскопии с ионным травлением и атомно-силовой микроскопии была изучена структура многослойных покрытий на аустенитной нержавеющей стали, которые формировались последовательным нанесением в одном технологическом цикле наноразмерных слоев титана и алм...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2009
Автори:	Казаченко, В.П., Семченко, Н.И., Попов, А.Н.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України 2009
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/7947
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Структура покрытий, сформированных последовательным нанесением наноразмерных слоев титана и углерода / В.П. Казаченко, Н.И. Семченко, А.Н. Попов // Физическая инженерия поверхности. — 2009. — Т. 7, № 1-2. — С. 32-38. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-7947
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-79472010-04-23T12:01:58Z Структура покрытий, сформированных последовательным нанесением наноразмерных слоев титана и углерода Казаченко, В.П. Семченко, Н.И. Попов, А.Н. В работе с помощью КР-, РФЭ-, электронной Оже-спектроскопии с ионным травлением и атомно-силовой микроскопии была изучена структура многослойных покрытий на аустенитной нержавеющей стали, которые формировались последовательным нанесением в одном технологическом цикле наноразмерных слоев титана и алмазоподобного углерода дуговым и импульсно-дуговым методом соответственно. Показано, что при формировании многослойного покрытия образовывались межфазные слои благодаря концентрационной и ионностимулированной диффузии, в основном, атомов углерода. Исследовано влияние температуры отжига на воздухе на структуру углеродной фазы и распределение химических элементов по толщине покрытия. У роботі за допомогою КР-, РФЕ-, електронної оже-спектроскопії з іонним травленням і атомносилової мікроскопії була вивчена структура багатошарових покриттів на аустенітній нержавіючій сталі, які формувалися послідовним нанесенням в одному технологічному циклі нанорозмірних шарів титану й алмазоподібного вуглецю дуговим та імпульсно-дуговим методом відповідно. Показано, що при формуванні багатошарового покриття утворювалися міжфазні шари завдяки концентраційній та іонно-стимульованій дифузії, в основному, атомів вуглецю. Досліджено вплив температури відпалу на повітрі на структуру вуглецевої фази й розподіл хімічних елементів за товщиною покриття. In this work the structure of the multilayer coatings on the austenitic stainless steel, which were formed by the successive titanium and carbon nanolayers deposition at one technological cycle by arc and pulsed arc methods correspondingly, was investigated by Raman scattering, XPS, Auger-electron spectroscopy and AFM methods. It was shown that interfacial layers formation during deposition of multilayer coating due to concentration and ionstimulated diffusion of carbon atoms were formed generally. It was explored the influence of the annealing temperature at air on carbone phase structure and on chemical elements distribution by coating thickness. 2009 Article Структура покрытий, сформированных последовательным нанесением наноразмерных слоев титана и углерода / В.П. Казаченко, Н.И. Семченко, А.Н. Попов // Физическая инженерия поверхности. — 2009. — Т. 7, № 1-2. — С. 32-38. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 1999-8074 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/7947 62-761: 620.22 ru Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	В работе с помощью КР-, РФЭ-, электронной Оже-спектроскопии с ионным травлением и атомно-силовой микроскопии была изучена структура многослойных покрытий на аустенитной нержавеющей стали, которые формировались последовательным нанесением в одном технологическом цикле наноразмерных слоев титана и алмазоподобного углерода дуговым и импульсно-дуговым методом соответственно. Показано, что при формировании многослойного покрытия образовывались межфазные слои благодаря концентрационной и ионностимулированной диффузии, в основном, атомов углерода. Исследовано влияние температуры отжига на воздухе на структуру углеродной фазы и распределение химических элементов по толщине покрытия.
format	Article
author	Казаченко, В.П. Семченко, Н.И. Попов, А.Н.
spellingShingle	Казаченко, В.П. Семченко, Н.И. Попов, А.Н. Структура покрытий, сформированных последовательным нанесением наноразмерных слоев титана и углерода
author_facet	Казаченко, В.П. Семченко, Н.И. Попов, А.Н.
author_sort	Казаченко, В.П.
title	Структура покрытий, сформированных последовательным нанесением наноразмерных слоев титана и углерода
title_short	Структура покрытий, сформированных последовательным нанесением наноразмерных слоев титана и углерода
title_full	Структура покрытий, сформированных последовательным нанесением наноразмерных слоев титана и углерода
title_fullStr	Структура покрытий, сформированных последовательным нанесением наноразмерных слоев титана и углерода
title_full_unstemmed	Структура покрытий, сформированных последовательным нанесением наноразмерных слоев титана и углерода
title_sort	структура покрытий, сформированных последовательным нанесением наноразмерных слоев титана и углерода
publisher	Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
publishDate	2009
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/7947
citation_txt	Структура покрытий, сформированных последовательным нанесением наноразмерных слоев титана и углерода / В.П. Казаченко, Н.И. Семченко, А.Н. Попов // Физическая инженерия поверхности. — 2009. — Т. 7, № 1-2. — С. 32-38. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT kazačenkovp strukturapokrytijsformirovannyhposledovatelʹnymnaneseniemnanorazmernyhsloevtitanaiugleroda AT semčenkoni strukturapokrytijsformirovannyhposledovatelʹnymnaneseniemnanorazmernyhsloevtitanaiugleroda AT popovan strukturapokrytijsformirovannyhposledovatelʹnymnaneseniemnanorazmernyhsloevtitanaiugleroda
first_indexed	2025-07-02T10:43:26Z
last_indexed	2025-07-02T10:43:26Z
_version_	1836531588346675200
fulltext	ФІП ФИП PSE, 2009, т. 7, № 1-2, vol. 7, No. 1-232 ВВЕДЕНИЕ Одним из эффективных методов модифи- цирования поверхности является нанесение алмазоподобных покрытий (АПП), в част- ности, на поверхность изделий, выполнен- ных из нержавеющих аустенитных сталей, которые склонны к локальной коррозии в сре- дах, содержащих ионы хлора и брома, и име- ют низкие триботехнические свойства [1]. АПП на аустенитных сталях, как правило, формируют методами PVD, которые позво- ляют наносить их со скоростями, существен- но превышающими скорости нанесения CVD методов и, что особенно важно, без сущест- венного нагрева изделий [2]. Связано это с тем, что длительный нагрев таких сталей до температур выше 500 °С приводит к значи- тельному ухудшению их коррозионной стой- кости [3]. Нанесение АП покрытий PVD методами происходит в сильно неравновес- ных условиях. Вследствие этого они имеют значительные внутренние напряжения, кото- рые ухудшают их адгезионную прочность, что, в свою очередь, приводит к ухудшению во времени защитных и триботехнических свойств. Одним из способов снижения внут- ренних напряжений является создание по- крытий, содержащих чередующиеся углерод- ные слои и слои пластичных металлов [4], а также термическая обработка формируемых систем [5, 6]. Ранее нами было показано, что отжиг в атмосфере воздуха многослойных наноразмерных покрытий, полученных по- следовательным нанесением из продуктов эрозии материала катода, выполненного из титана и углерода, в дуговом и импульсно- дуговом разряде, приводит к значительному улучшению их адгезионных, триботехничес- ких и защитных свойств в растворе, содержа- щем ионы хлора [7]. Целью данной работы являлось исследо- вание структуры однослойных и наноразмер- ных многослойных покрытий, сформирован- ных последовательным нанесением слоев ти- тана и углерода с подслоем нитрида титана на подложке из нержавеющей аустенитной стали, а также определение влияния на струк- туру покрытий температуры термообработки. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДИКИ В качестве подложек для нанесения АП по- крытий использовали образцы из аустенит- ной нержавеющей стали марки 316L (аналог 03Х17Н14М2) размером 30×20×1,5 мм. Перед нанесением покрытий образцы полировали на установке электролитно-плазменной обра- ботки в 5% водном растворе (NH4)2SO4 [8]. После обработки параметр шероховатости поверхности образцов Ra, по данным профи- лометрии, был равен 0,02-0,06 мкм, а локаль- ное значение Ra на поверхности аустенитных зерен, определенное с помощью АСМ, сос- тавляло 0,002 мкм. УДК 62-761: 620.22 СТРУКТУРА ПОКРЫТИЙ, СФОРМИРОВАННЫХ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМ НАНЕСЕНИЕМ НАНОРАЗМЕРНЫХ СЛОЕВ ТИТАНА И УГЛЕРОДА В.П. Казаченко, Н.И. Семченко, А.Н. Попов Белорусский государственный университет транспорта (Гомель) Беларусь Поступила в редакцию 19.02.2009 В работе с помощью КР-, РФЭ-, электронной Оже-спектроскопии с ионным травлением и атомно-силовой микроскопии была изучена структура многослойных покрытий на аустенитной нержавеющей стали, которые формировались последовательным нанесением в одном технологическом цикле наноразмерных слоев титана и алмазоподобного углерода дуговым и импульсно-дуговым методом соответственно. Показано, что при формировании многослойного покрытия образовывались межфазные слои благодаря концентрационной и ионно- стимулированной диффузии, в основном, атомов углерода. Исследовано влияние температуры отжига на воздухе на структуру углеродной фазы и распределение химических элементов по толщине покрытия. ФІП ФИП PSE, 2009, т. 7, № 1-2, vol. 7, No. 1-2 33 Алмазоподобные покрытия получали с по- мощью источника плазмы импульсного ка- тодно-дугового разряда с катодом, выполнен- ным из графита. Слои титана и подслой нит- рида титана формировали вакуумным элект- родуговым методом из сепарированного по- тока [7]. Толщина подслоя TiN составляла 500 нм. Толщина первого слоя титана – 55 нм, остальных слоев титана и углерода – по 20 нм. В составе основного покрытия было сформировано по пять последователь- но нанесенных слоев титана и углерода (Ti- АПП)5. Образцы с покрытиями подвергали отжи- гу на воздухе при температурах от 100 до 375 °С в течение 1 часа. Распределение элементов по глубине ис- следовали методом электронной оже-спект- роскопии на спектрометре PHI-660 Perkin Elmer (USA). Распыление материала осу- ществлялось ионами аргона с энергией 3 кэВ, площадь области распыления составляла око- ло 100 мкм2, площадь области анализа – не более 1 мкм2. Химический состав поверхности покры- тия определяли методом рентгеновской фото- электронной спектроскопии (РФЭС) с помо- щью прибора PHI5300 ESCA/610 SAM. Интенсивность комбинационного рассея- ния света от пленки измеряли с помощью спектрометра Renishaw InVia Raman micro- scop (UK) при возбуждении неполяризован- ным излучением аргонового лазера на длине волны λexc = 514,5 нм. Точность определения значений величины рамановского сдвига (положение максимумов) КР-спектров по- крытий была ±2 см–1, а при их математи- ческом разложении на компоненты – не хуже ±5 см–1. Морфологию поверхности покрытий ис- следовали методами атомно-силовой микро- скопии (АСМ) с помощью микроскопа Solver P47 PRO (NT MDT, Russia) и растровой элект- ронной микроскопии с помощью микроскопа ESEM “Quanta 200F” (USA). РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ В процессе формирования многослойной системы TiN(Ti-АПП)5, как следует из эле- ментного анализа по толщине, имели место процессы, следствием которых являлось на- личие значительного процентного содержа- ния углерода в слоях титана, а также титана в слоях углерода (рис. 1). По толщине многослойного покрытия TiN(Ti-АПП)5 сохранялось периодическое распределение химических элементов. Нане- сенные титановые слои включали от 48 до 56 ат.% углерода. Концентрация углерода в титановых слоях увеличивалась от поверх- ности к подложке. В первом от подложки слое титана, толщина которого была несколько бо- льше остальных слоев (55 нм), имелась об- ласть постоянных значений содержания хи- мических элементов: Ti – 75 ат.%, C – 17 ат.%, O – 8 ат.%. В углеродных слоях многослойного по- крытия, по данным оже-спектроскопии, со- держалось от 0 до 2 ат.% титана. По направ- лению от поверхности к подложке содержа- ние Ti в углеродных слоях увеличивалось. Применяемые методы нанесения слоев титана и углерода предполагали наличие по- токов частиц, содержащих ионы с энергией 20 – 80 эВ. Вследствие того, что нагрев об- разцов в процессе нанесения был не выше 200 °С, а время нанесения каждого из слоев углерода и титана составляло 60 с, т.е. общее время нанесения было равно 600 с, то, по нашему мнению, наряду с концентрационной диффузией существенную роль в формиро- вании структуры слоев играла и ионно-стиму- лированная диффузия, причем преобладаю- щей являлась диффузия углерода в титановые слои. Факт увеличения полуширины углерод- ных и титановых слоев по направлению от Рис. 1. Распределение химических элементов по тол- щине покрытия в многослойной системе по данным оже-спектроскопии В.П. КАЗАЧЕНКО, Н.И. СЕМЧЕНКО, А.Н. ПОПОВ ФІП ФИП PSE, 2009, т. 7, № 1-2, vol. 7, No. 1-234 СТРУКТУРА ПОКРЫТИЙ, СФОРМИРОВАННЫХ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМ НАНЕСЕНИЕМ НАНОРАЗМЕРНЫХ СЛОЕВ ТИТАНА ... верхних слоев к нижним, которые были на- несены первыми, свидетельствовал о том, что и после нанесения каждого слоя при форми- ровании многослойной структуры процессы диффузии продолжались. Отметим, что содержание углерода в тита- не во много раз превышало растворимость углерода в титановых сплавах. Как известно, углерод создает в титане растворы внедрения, и максимальная растворимость углерода в α- титане при температуре 920 °С составляет 0,48%, а с понижением температуры резко падает [9]. Кислород в заметных количествах в объе- ме покрытия наблюдался только в слоях, со- держащих значительное количество титана, что являлось вполне естественным и свиде- тельствовало о частичном его окислении. Од- нако отметим, что количество неокисленного титана в этих слоях было существенно боль- ше. Несмотря на приведенные в работе коли- чественные значения процентного содержа- ния элементов по толщине покрытия, опре- деление которого проходило через каждые 12 с ионного травления, что соответствовало эффективной толщине стравливаемого слоя порядка 2 нм, мы все же считаем, что резу- льтаты являются скорее качественными. На результаты послойного элементного анализа могут оказывать существенное влияние то- пография поверхности и переменный по тол- щине элементный состав. Топография по- верхности термообработанных при темпера- туре до 250 °С покрытий по таким парамет- рам как Ra, Rz, определенным с помощью АСМ, мало отличалась от топографии исход- ного образца. Так, при анализе АСМ-изо- бражения площадью 2×2 мкм 2 для исходных слоев Ra = 1,8 нм, Rz = 8,6 нм, а для термо- обработанных Ra = 1,4 нм, Rz = 9,6 нм. Топо- графия поверхности покрытий, подверг- шихся ионному распылению при проведении послойного анализа, довольно сильно отли- чалась от топографии исходной поверхности (Ra = 2,7 нм, Rz = 12,0 нм). Так как исходная шероховатость покрытия была ниже, топо- графический фактор может оказывать влия- ние на количественные результаты послой- ного анализа. Тем не менее, мы считаем, что полученные результаты правильно отражают физические процессы, происходящие в по- крытиях. В частности, сравнение результатов по- слойного элементного анализа покрытий с термообработанными образцами показало, что при отжиге в течение 3600 с и при тем- пературе 250 °С профили титана и углерода совпадали в пределах погрешностей методи- ки анализа. Отметим, что эти параметры тер- мической обработки значительно превышали время и температуру формирования много- слойной системы. Наиболее полное совпа- дение профилей наблюдалось для первых пяти сформированных слоев. Этот экспери- ментальный факт подтверждает предполо- жение о том, что основные диффузионные процессы в покрытии происходили именно во время нанесения слоев. Однако диффузионные процессы при термообработке все-таки имели место. Это проявлялось в том, что после отжига в слое нитрида титана был обнаружен углерод в количестве 5 ат.% и кислород в количестве 1 ат.%, что в последнем случае находилось на уровне чувствительности методики измере- ния. То, что отжиг в окислительной среде не приводил к увеличению содержания кисло- рода в слоях со значительным содержанием титана и большая часть титана (до 95 ат.%) находилась в неокисленном состоянии, дает основания для предположения о гетероген- ной многофазной структуре материала в этих слоях. Оксидный слой на поверхности тита- новой фазы препятствовал ее дальнейшему окислению при отжиге в воздушной среде. Отметим, что, как и ожидалось, слой нит- рида титана обладал хорошими барьерными свойствами по отношению к атомам хими- ческих элементов, из которых состоит сталь. Атомы железа, никеля, хрома, входящие в состав стали, не были обнаружены в слое нит- рида титана и последующих слоях покрытия до и после отжига. По результатам анализа покрытий с по- мощью РФЭС в поверхностных слоях тол- щиной 5 – 7 нм последнего углеродного слоя титан присутствовал в количестве менее 1 ат.%. Отжиг в воздушной среде при тем- пературе вплоть до 350 °С не вызывал уве- личения содержания титана в поверхностных слоях. Только отжиг в вакууме и при более ФІП ФИП PSE, 2009, т. 7, № 1-2, vol. 7, No. 1-2 35 высокой температуре – 400 °С приводил к увеличению содержания титана на поверх- ности. В этом случае было обнаружено 2,4 ат.% Ti в виде диоксида титана. В объеме покрытия наряду с TiО2 имелся титан и в неокисленном состоянии. Присутствие ти- тана в двух состояниях определялось по на- личию в РФЭ-спектрах после распыления покрытия ионами аргона характерных пиков – Ti2p1/2 с энергией связи 455,3 эВ и 460,9 эВ, соответствующих титану, и с энергией связи 458,7 эВ и 464,5 эВ, принадлежащих ди- оксиду титана (рис. 2). Отметим, что отсутствие в РФЭ-спектрах пика С1s с энергией связи в области 281,3 эВ свидетельствует о том, что химические соеди- нения углерода с титаном в процессе форми- рования многослойной системы не образо- вывались. Повышение температуры термообработки в воздушной среде выше 375 °С приводило к местному вздутию и отслаиванию покрытия (рис. 3), что связано с началом интенсивного окисления углеродных слоев, которое сопро- вождалось объемным газовыделением. Структура углерода в многослойном нано- размерном и однослойном покрытии (тол- щиной около 300 нм), по данным КР-спект- роскопии, различалась существенным обра- зом. В обоих случаях КР-спектры в диапазоне 1100 – 1800 см–1 представляли собой ши- рокую слабоструктурированную полосу (рис. 4), которая хорошо аппроксимировалась лишь двумя гауссовыми контурами, обычно обозначаемыми как D и G полосы. Такой вид спектров является характерным для аморф- ного безводородного углерода. Параметры КР-спектров, полученные путем разложения на гауссовы D и G полосы, для многослойной структуры и однослойного углеродного по- крытия приведены в табл. 1. Известно, что в аморфных углеродных пленках величина рамановского сдвига вышеупомянутых полос может меняться за счет изменения и разупорядочения длин межуглеродных связей, деформированных графитных sp2-кластеров, изменения их раз- меров и распределения по размерам, а также внутренних напряжений [10]. В КР спектрах исследуемых покрытий положения максимумов D и G полос нахо- дились в областях 1360 – 1470 см–1 и 1560 – 1580 см–1 соответственно. Для всех покрытий полоса D, которая свойственна разупорядо- ченному аморфному и микрокристалличес- кому углероду, проявлялась лишь как плечо Рис. 2. РФЭ-спектр титана, находящегося в объеме покрытия. Рис. 3. РЭМ-изображение поверхности покрытия пос- ле термообработки при температуре 375 °С: 1– об- ласть вздутия, 2 – область отслаивания. Рис. 4. Спектры комбинационного рассеяния одно- (1) и многослойного покрытий (2); интенсивность спект- ра (2) увеличена в 3,7 раза. В.П. КАЗАЧЕНКО, Н.И. СЕМЧЕНКО, А.Н. ПОПОВ ФІП ФИП PSE, 2009, т. 7, № 1-2, vol. 7, No. 1-236 СТРУКТУРА ПОКРЫТИЙ, СФОРМИРОВАННЫХ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМ НАНЕСЕНИЕМ НАНОРАЗМЕРНЫХ СЛОЕВ ТИТАНА ... G полосы, что свидетельствует о небольшой концентрации в углеродных слоях кластеров ароматических колец, при этом они малы по размеру и сильно искажены деформациями связей и валентных углов. G полоса, как из- вестно, ответственна за колебания растяже- ния-сжатия сопряженных sp2-связей в аро- матических и цепочечных молекулах. Отметим, что для многослойной структу- ры с периодическим изменением концентра- ции спектры комбинационного рассеяния света дают интегральную по толщине инфор- мацию о структуре углерода. При этом оче- видно, что наибольший вклад в полученные КР-спектры вносило неупругое рассеяние на поверхностных слоях, содержащих углерод. Для однослойного покрытия отношение интенсивностей полос ID/IG было равно 0,11 (табл. 1), и рассчитывалось по высоте абсо- лютных максимумов пиков ( I ) в рамановском спектре. Это значение характерно, как из- вестно, для АПП с высоким – до 80% – со- держанием атомов углерода с sp3-гибридизи- рованными связями [11]. Для покрытия TiN(Ti-АПП)5 отношение ID/IG было значите- льно выше – 0,56, что свидетельствовало о меньшем количестве sp3-гибридизированных связей атомов углерода и, соответственно, бо- льшем содержании графитоподобных струк- тур с ароматическими sp2-гибридизирован- ными связями. По нашему мнению, обнаруженное су- щественное изменение количества соотно- шения sp3- и sp2-гибридизированных связей в углеродной фазе многослойного покрытия, по сравнению с однослойным, обусловлено диффузией углерода в титановые слои, обра- зующего в них графитоподобные структуры, а также диффузионным легированием угле- родных слоев титаном, который способство- вал их графитизации [12]. Таким образом, мы считаем, что в слоях с малым содержанием титана углерод в основ- ном находится в аморфном алмазоподобном состоянии с высоким содержанием sp3-гиб- ридизированных атомов, а титановые слои, нанесенные вакуумным электродуговым ме- тодом, состоят из поверхностно окисленных кластеров металла и кластеров шестиатом- ных ароматических колец с сопряженными sp2-связями, т.е. углерод в титановом слое на- ходится преимущественно в графитоподоб- ном состоянии. Как было показано выше, отжиг на воздухе не оказывал существенного влияния на рас- пределение химических элементов по толщи- не многослойного покрытия. Основное воз- действие отжига состояло в изменении струк- туры углеродной фазы. Это проявлялось в из- менениях параметров D и G полос в КР-спек- трах (табл. 1) и приводило к немонотонному изменению отношения ID/IG (рис. 5). Покрытие Температура отжига, °С ID/IG D-полоса G-полоса I ∆ω, см−1 ∆v, см−1 I ∆ω, см−1 ∆v, см−1 TiN(Ti-АПП)5 – 0,56 438 1413 284 779 1570 165 150 0,45 352 1419 313 775 1570 178 250 0,49 447 1419 284 911 1575 166 350 0,57 403 1466 293 709 1579 156 – 0,11 456 1361 157 4206 1561 194АПП Таблица 1 Параметры компонент КР-спектров покрытий Рис. 5. Изменение отношения ID/IG с увеличением тем- пературы отжига покрытий TiN(Ti-АПП)5 в воздуш- ной среде. ФІП ФИП PSE, 2009, т. 7, № 1-2, vol. 7, No. 1-2 37 При температуре отжига 150 °С, которая соотвествовала минимуму отношения ID/IG, имело место увеличение полуширины D по- лосы ∆ν на ∼ 30 см–1, небольшое смещение максимума ∆ω в коротковолновую область и уменьшение ее интенсивности. При этом по- ложение максимума и интенсивность G-по- лосы не изменялись, и происходило лишь ее небольшое уширение на величину 13 см–1. Такие изменения связаны с преобладанием процессов уменьшения в исследуемом по- крытии размеров кластеров ароматических колец и длин связей между атомами углерода, а также с увеличением фракции цепочечных sp2-фрагментов, вероятно, за счет разрыва на- пряженных кольцевых углеродных структур. Несомненно, что эти процессы приводили к снятию внутренних напряжений в аморфной углеродной матрице. Повышение температуры отжига до 250 °С характеризовалось отсутствием изменения положения D и G полос, заметным увеличе- нием их интенсивностей, некоторым умень- шением полуширины, а также ростом вели- чины ID/IG (рис. 5), что может быть связано с увеличением числа ароматических колец, ростом размеров графитоподобных кластеров (коалесценции колец) и их внутреннем упо- рядочении. Повышение температуры отжига до 350 °С приводило к значительному смещению D по- лосы в высокочастотную область спектра – на 47 см–1, ее уширению и снижению интен- сивности. Для G полосы имело место неболь- шое смещение в том же направлении макси- мума, некоторое сужение и снижение ее ин- тенсивности. При этом увеличивалось зна- чение величины ID/IG, которое показывает об- щую тенденцию углеродной матрицы к гра- фитизации. Поэтому при температуре отжига Т = 350 °С вероятно происходили процессы образования кольцевых структур, уменьше- ния размеров кластеров ароматических колец и дальнейшего упорядочения в имеющихся графитоподобных кластерах. На эти процес- сы при такой высокой температуре термооб- работки оказывает влияние окисление с вы- делением в качестве продуктов реакции газо- образных оксидов углерода. ЗАКЛЮЧЕНИЕ В работе показано, что в процессе формиро- вания многослойной системы последователь- ным нанесением наноразмерных слоев Ti и АПП образовывались межфазные слои бла- годаря концентрационной и ионно-стимули- рованной диффузии атомов углерода. Струк- тура этих слоев состояла из графитоподоб- ных кластеров и поверхностно окисленных кластеров титана. В АП слоях углерод нахо- дился в аморфном алмазоподобном состоя- нии с высоким содержанием sp3-гибридизи- рованных атомов. Термообработка в атмо- сфере воздуха приводила как к разрыву на- пряженных углеродных связей в кольцевых структурах, так и к образованию из цепочеч- ных sp2-фрагментов ароматических колец, их коалесценции в кластеры и внутреннему упо- рядочению, при этом второй процесс пре- обладал при температурах отжига выше Т = 150 °С. Работа выполнена при поддержке Бело- русского республиканского фонда фундамен- тальных исследований. ЛИТЕРАТУРА 1. Sevidova E.K., Strel’nitskij V.E., Volkov Yu.Ya., Pupan L.I. Effect of diamond-like carbon coa- tings on electrochemical behavior of metal bio- medical materials//Proc. of 4th Int. Symp. of Dia- mond Films and Related Materials (Kharkov), Ukraine. – 1999. – P. 224-227. 2. Аксенов И.И., Стрельницкий В.Е. Синтез безводородных пленок алмазоподобного уг- лерода//Труды 12го международного симпо- зиума “Тонкие пленки в электронике” (Харь- ков). – 2001. – С. 96-105. 3. Ульянин Е.А. Коррозионно-стойкие стали и сплавы. Справочник. – М.: Металлургия, 1991. – 256 с. 4. Voevodin A.A., Schneider J.M., Rebhol C., Mat- thews A. Multilayer composite ceramic-metal- DLC coatings for sliding wear applications// Tribology international. – 1996. – Vol. 2, № 7. – P. 559-570. 5. Grill A. Diamond-like carbon: state of the art// Diamond and Related Materials. – 1999. – № 8. – P. 428-434. 6. Robertson J. Diamond-like amorphous carbon// Materials Science and Engineering. – 2002. – R. 37. – P. 129-281. В.П. КАЗАЧЕНКО, Н.И. СЕМЧЕНКО, А.Н. ПОПОВ ФІП ФИП PSE, 2009, т. 7, № 1-2, vol. 7, No. 1-238 7. Семченко Н.И., Казаченко В.П., Попов А.Н. Влияние температуры отжига на защитные и триботехнические свойства многослойных алмазоподобных покрытий//Трение и износ. – 2006. – Т. 27, № 4. – С. 403-408. 8. Алексеев Ю.Г., Кособуцкий А.А., Коро- лев А.Ю., Нисс В.С., Кучерявый Д.В., Пов- жик А.А. Электролитно-плазменная обработ- ка: особенности формирования парогазовой оболочки и ее влияние на съем материала при обработке поверхностей металлических изде- лий//Сб. материалов докладов международ- ной научно-технической конференции “Поро- шковая металлургия: достижения и пробле- мы” (Минск), Беларусь. – 2005. – С. 236-245. 9. Магницкий О.Н. Литейные свойства титано- вых сплавов. – М.: Машиностроение, 1968. – 120 с. STRUCTURE OF COATINGS FORMED BY SUCCESSIVE DEPOSITION OF TITANIUM AND CARBON NANOLAYERS V.P. Kazachenko, N.I. Semchenko, A.N. Popov In this work the structure of the multilayer coatings on the austenitic stainless steel, which were formed by the successive titanium and carbon nanolayers deposition at one technological cycle by arc and pulsed arc methods correspondingly, was investi- gated by Raman scattering, XPS, Auger-electron spectroscopy and AFM methods. It was shown that interfacial layers formation during deposition of multilayer coating due to concentration and ion- stimulated diffusion of carbon atoms were formed generally. It was explored the influence of the an- nealing temperature at air on carbone phase structure and on chemical elements distribution by coating thickness. 10. Сморгонская Э.А., Звонарева Т.К, Ивано- ва Е.И., Новак И.И., Иванов-Омский В.И. Од- нофононные рамановские спектры углерода в композитных пленках, полученных моди- фицированием аморфного гидрированного углерода медью и кобальтом//Физика твер- дого тела. – 2003. – Т. 45, Вып. 9. – С. 1579- 1589. 11. Ferrari A.C. Determination of bonding in dia- mond-like carbon by Raman spectroscopy//Dia- mond and Related Materials. – 2002. – № 11. – P. 1053-1061. 12. Dai M.-J., Zhou K.-S., Lin S.-S., Hou H.i-J., Zhu X.-G., Li H.-W. A Study on Metal-Doped Diamond-Like Carbon Film Synthesized by Ion Source and Sputtering Technique//Plasma Pro- cesses and Polymers. – 2007. – № 4. – P. 215- 219. СТРУКТУРА ПОКРИТТІВ, СФОРМОВАНИХ ПОСЛІДОВНИМ НАНЕСЕННЯМ НАНОРОЗМІРНИХ ШАРІВ ТИТАНУ ТА ВУГЛЕЦЮ В.П. Казаченко , Н.И. Семченко, А.Н. Попов У роботі за допомогою КР-, РФЕ-, електронної оже-спектроскопії з іонним травленням і атомно- силової мікроскопії була вивчена структура багатошарових покриттів на аустенітній нержа- віючій сталі, які формувалися послідовним на- несенням в одному технологічному циклі нано- розмірних шарів титану й алмазоподібного вугле- цю дуговим та імпульсно-дуговим методом від- повідно. Показано, що при формуванні багато- шарового покриття утворювалися міжфазні шари завдяки концентраційній та іонно-стимульованій дифузії, в основному, атомів вуглецю. Дослідже- но вплив температури відпалу на повітрі на структуру вуглецевої фази й розподіл хімічних елементів за товщиною покриття. СТРУКТУРА ПОКРЫТИЙ, СФОРМИРОВАННЫХ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМ НАНЕСЕНИЕМ НАНОРАЗМЕРНЫХ СЛОЕВ ТИТАНА ...

Структура покрытий, сформированных последовательным нанесением наноразмерных слоев титана и углерода

Репозитарії

Схожі ресурси