Wieloskalowa analiza mechanizmu zużycia wielowarstwowych powłok na bazie tytanu i węgla

Przedmiotem badań wieloskalowej analizy mechanizmu zużycia były efekty niszczenia mikrostruktury wielowarstwowych powłok typu: Ti/TiN oraz TiN/Ti/a-C:H. Powłoki uzyskano na austenitycznej stali nierdzewnej przy użyciu hybrydowej metody osadzania laserem impulsowym (PLD+magnetron). Mikrostrukturę powłoki składającej się z bi-warstw o grubości rzędu 10 nm charakteryzowano z zastosowaniem transmisyjnego mikroskopu elektronowego Tecnai F20 (200kV) FEG. Fazowa i chemiczna analiza składu przeprowadzona została metodą EDS z dyspersją energii (rentgenowska spektroskopia) i w oparciu o obrazy dyfrakcji elektronów. Odporność na uszkodzenia powłoki badano diamentową kulkę siłą 1N przyłożonego obciążenia. Cienkie folie zostały przygotowane bezpośrednio ze ścieżki zużycie z zastosowaniem skupionej wiązki jonów metodą FIB z wykorzystaniem aparatury QUANTA 200 3D DualBeam. Wielowarstwowe powłoki charakteryzowały się mikrostrukturą z dużą ilością dyslokacji w warstwie TiN, podobnie jak w powłoce monowarstwowej TiN. W przypadku powłoki węglowej a-C:H warstwa była amorficzna. Po teście mechanicznym zużycia metodą kula-dysk, stosując kulkę Al2O3, wielowarstwowa powłoka TiN/Ti/a-C:H była silnie zdeformowana. Ceramiczne powłoki TiN oraz a-C:H wykazywały kruche pęknięcia, zaś bardzo cienkie warstwy metaliczne Ti, wytworzone na każdej granicy fazowej, zostały odkształcone plastycznie. Linie deformacji propagowały się pod kątem 45o do kierunek wzrostu krystalitów. Zużycie tribologiczne krystalicznych warstw TiN spowodowało pęknięcia wzdłuż płaszczyzn {111}. Obecność fazy metalicznej prowadziła do wzrostu oporności na pęknięcia i zwiększała koszt energetyczny propagacji pęknięć.

The wear mechanisms of Ti/TiN and (TiN/Ti/a-C:H) multilayer coatings were investigated. Ti/TiN and (TiN/Ti/a-C:H) multilayer coatings were deposited on austenitic stainless steel (316L) using the hybrid PLD (Pulsed Laser Deposition + magnetron sputtering) equipped with high purity titanium target (99.9% at. Ti) and carbon target. Microstructure was analyzed on thin foils prepared using the FEI Dual BeamTM FIB system equipped with an Omniprobe lift-out technique. Foils were cut perpendicularly both to coating surface and wear path. The microstructure observations were performed using TECNAI F20 SuperTWIN (200kV) transmission electron microscope. The wear mechanism of the multilayer coating was realized through brittle cracking of ceramic layers and plastic deformation of metallic ones. Optimization of layer thickness and modulation was performed by application of advanced deposition and diagnostic methods. Switching from mono- to multi-layered coatings allows changing the mechanism of wear from through-coating cracking leading to catastrophic delamination to more gradual layer-by-layer coating removal. The farther wear decrease should be sought at lower multilayer period. Design and fabrication of Ti/TiN and (TiN/Ti/a-C:H) multilayer coatings revealing an improved behavior in service systems subjected to wearing.