К вопросу о наноразмерных явлениях в процессе электроакустического напыления

Введение. Исследовано действие варьируемых параметров процесса электроакустического напыления (ЭЛАН) на характеристики кристаллической структуры упрочняющих покрытий. Выявлены значения указанных параметров, обеспечивающие получение наноструктурных защитных покрытий деталей машин и режущего инструмента. Упрочнение при помощи подобных покрытий позволяет достичь значительного (в 5–10 раз) повышения ресурса работы упрочняемых деталей и инструментов, предназначенных для механообработки. Для получения покрытий с заданными свойствами поверхностного слоя следует выбирать нанокристаллические материалы. При этом допустимо определенное содержание аморфной фазы.

Материалы и методы. Использован рентгеноструктурный анализ, который проводился на рентгеновском дифракционном аппарате отечественного производства «ДРОН-3М». Метод Шеррера — Вилсона применен с целью определения зернистости блоков частиц по значению физического уширения пиков дифрактограммы. Выводы по результатам работы основаны на методике разделения вкладов значащих факторов в уширение пиков дифракционных отражений (метод Уоррена — Авербаха).

Результаты исследования . В зависимости от технологических режимов и метода получения наноструктурных материалов происходит неоднозначно интерпретируемое изменение показателей уширения дифракционных пиков, что, в общем, характерно для нанокристаллических металлов. Это явление можно объяснить, в частности, наличием наноразмерного эффекта в упрочненном слое. Присутствие нанокристаллической структуры в напыленном слое напрямую подтверждается вычисленными значениями размеров областей когерентного рассеивания (ОКР). Наличие значимых величин угла разориентирования структуры кристаллов подтверждается величиной ОКР для исследованных рефлексов 110 и 220, что подкрепляется высоким процентным содержанием аморфной фазы.

Introduction. The effect of variable parameters of the electroacoustic sputtering (ELAS) process on the characteristics of the crystalline structure of hardening coatings is studied. The ELAS parameter values providing nanostructured cover coatings for machine parts and cutting tools are determined. Hardening through using such coatings allows achieving a significant (5-10 times) increase in the life of hardenable machine parts and various tools designed for mechanical processing. To obtain coatings with the desired properties of the surface layer, nanocrystalline materials should be selected. In this case, a certain content of the amorphous phase is permissible.

Materials and Methods. To carry out the X-ray structural analysis, the X-ray diffraction Russian-made device DRON-3M was used. The Scherrer-Wilson method was applied to determine the granularity of particle blocks from the value of the intrinsic broadening of the diffractogram peaks. The conclusions obtained in this paper are based on the method of separation of the affecting factor contributions into broadening the diffraction reflection peaks (the Warren-Averbach method).

Research Results. Depending on the process conditions and the technique for obtaining nanostructured materials, a non-uniquely interpretable change in the indices of the diffraction peaks broadening occurs, which is generally characteristic of nanocrystalline metals. One of the possible explanations for this phenomenon is the presence of a nanosized effect in the hardened layer. The occurrence of the nanocrystalline structure in the sputtered layer verifies the calculated values of the dimensions of the coherent scattering regions (CSR). The occurrence of affecting values of the misorientation angle of the crystal structure is verified by the CSR value for the investigated 110 and 220 reflexes, which is supported by a high percentage of the amorphous phase.

Машиностроение и машиноведение

*

∗∗

Обсуждение и заключения. Метод электроакустического Discussion and Conclusions. The electroacoustic scattering напыления перспективен для получения нанокристалличе-      method is promising for obtaining nanocrystalline structures in ских структур в поверхностном и приповерхностном сло-      the surface and subsurface layers of the sprayed samples. The ях напыленных образцов. Изменение технологических

ELAS process variables variation leads to the parameter параметров ЭЛАН приводит к разбросу значений пара метров кристаллической решетки и областей когерентного      spread of the crystal lattice and coherent scattering areas. In рассеивания. В этом случае не выявляется определенная      this case, there is no definite trend. In the future it is expected тенденция. В дальнейшем предполагается решение данной      to solve the given problem. First, experiments will be conduct- проблемы. Во-первых, будут проведены эксперименты с      ed to determine the optimal sputtering regimes that could целю определения оптимальных режимов напыления, stimulate the formation of nanocrystalline structures. Second-способствующих образованию нанокристаллических ly, visual observation and evaluation of the sprayed layer структур. Во-вторых, планируется визуальное наблюдение и оценка структуры напыляемого слоя при помощи элек-      structure using electron microscopy is planned.

тронной микроскопии.

напыление.

Образец для цитирования: Аль-Тибби, В. Х. К вопросу о      For citation: W.H. Al-Tibbi, V.S. Minakov. On nanoscale наноразмерных явлениях в процессе электроакустическо-      phenomena in the electroacoustic sputtering process. Vestnik го напыления / В. Х. Аль-Тибби, В. С. Минаков // Вестник      of DSTU, 2018, vol. 18, no. 4, pp. 401-407.

Дон. гос. техн. ун-та. — 2018. — Т. 18, № 4. — С. 401-407.      

Введение. Получение наноструктурных упрочняющих покрытий является актуальной и перспективной технической задачей [1, 2]. Многочисленные исследования в области материаловедения показали, что ощутимое (в несколько раз) изменение прочности, твердости, износостойкости материалов возможно при уменьшении кристаллических зерен до определенного значения.

В рамках данного исследования предполагается изучение кристаллической микроструктуры упрочняющих покрытий с использованием способа электроакустического напыления (ЭЛАН) [3, 4, 5]. Такое упрочнение предполагает использование электрической искры (высококонцентрированный поток энергии) и ультразвуковых колебаний продольно-крутильной направленности. ЭЛАН-упрочнение с использованием специализированной установки позволяет в 5–10 раз повысить ресурс работы деталей и инструментов.

В работе технологические параметры ЭЛАН варьируются с целью выявления их значений, способствующих получению наноструктурных защитных покрытий деталей и режущего инструмента. Для создания защитных покрытий с требуемыми свойствами нередко используют сплавы в аморфном состоянии. Однако по распространенности нанокристаллические материалы в некоторых областях уже опередили аморфные. Нанокристаллы в гораздо меньшей степени релаксируют в процессе использования покрытия и по свойствам не уступают аморфным материалам. Очевидно, что для получения покрытий с заданными и стабильными свойствами поверхностного слоя следует выбирать нанокристаллические материалы, пусть и с определенным содержанием аморфной фазы.

Материалы и методы. Для выявления в поверхностном слое нанокристаллических материалов активно используются резонансные методы, методы рентгеноструктурного анализа, электронная микроскопия и др. [2]. В представленной работе для оценки параметров микроструктуры применяется наиболее доступный метод, основанный на выявлении уширений дифракционных отражений при рентгеноструктурном анализе образцов. Для рентгеноструктурного анализа использован рентгеновский дифракционный аппарат российского производства «ДРОН-3М». Анализировалось характеристическое излучение железного анода с выделением λ K _α — спектральной линии образца, а также детектора. Характеристики рентгеновской трубки: 25 кВ, 5 мА. Использовался метод фокусировки излучения по Брэггу — Брентано [6]. Выбранные параметры детектора: скорость движения — 1 град/мин, время интегрирования — 5 с. При определении расстояний между плоскостями измерения ошибка составила ± 0,001 Å, что аналогично определению положения дифракционных максимумов с точностью ± 0,02 градуса. Исследовались образцы цилиндрической формы из стали 45. Диаметр и высота образца — 6 мм.

Для идентификации образцов на лицевой поверхности каждого из них наносились специальные метки при помощи ЭЛАН. В качестве эталона был выбран не близкий к чистому α-Fe, а образец без напыления из стали 45.

Результаты исследования. Полученные в ходе работы профили представлены на рис. 1.

д )

Рис. 1. Дифракционные отражения с профилями: эталон с крупным размером зерен ( а );

образец для напыления ( U = 16,9 В, А = 4,9 мкм) ( б ); U = 13,1 В, А = 15,2 мкм ( в ); U = 12,9 В, А = 9,9 мкм ( г ); U = 12,9 В, А = 5,1 мкм ( д ); U = 9,1 В, А = 15,1 мкм ( е )

26, град

е )

Форма дифракционных профилей для эталонного образца приведена на рис. 1 ( а ), для образцов с нанесенным покрытием на приведенных режимах — на рис. 1 ( б ) — ( е ). Варьируемые параметры ЭЛАН — напряжение электрода-анода ( U ) и величина амплитуды ( A ) колебаний ультразвуковой частоты.

Машиностроение и машиноведение

Дифрактограммы эталонного и исследуемого образца демонстрируют отношение значений интенсивностей. По этим данным рассчитывалось соотношение кристаллизовавшегося и аморфного материала. Вклад текстурной составляющей не учитывался.

Анализ экспериментальных данных позволяет сделать вывод, что основной фазой в большинстве исследуемых образцов является α — Fe. Метод Шеррера — Вилсона (наиболее подходящий в данном случае) был использован с целью определения зернистости блоков частиц по значению физического уширения пиков ди-фрактограммы [7]. В табл. 1 представлены сводные данные по результатам исследования: — физическое уширение β , — межплоскостное расстояние d , — размерный параметр кристаллической решетки a , — размер областей когерентного рассеивания.

Таблица 1

Параметр / образец	Рефлекс
	110						220
	1	2	3	4	5	эт.	1	2	3	4	5	эт.
β ⋅ 10 – 3, рад	2,01	1,71	1,68	1,81	1,95	1,39	8,47	8,34	8,62	8,87	10,01	8,06
2 θ , град	56,916	56,86	56,926	56,876	56,976	57,2	144,66	144,7	144,78	144,91	144,53	144,4
d , Å	2,026	2,028	2,025	2,027	2,024	2,019	1,013	1,0129	1,0126	1,0122	1,0132	1,0129
a , Å	2,8553	2,8581	2,8539	2,8567	2,8525	2,8465	2,8539	2,8561	2,8553	2,8793	2,8571	2,8571
D , нм	111	130	131	123	114	–	76	77	75	73	64	–
Содержание аморфной компоненты, %	59	55	57,5	53,5	51	–	59	75	81	98	79	–

Расчетные параметры кристаллической структуры и данные дифрактограмм

В качестве основных выделены рефлексы 110 и 220.

Данные табл. 1 ясно говорят о значительном уширении дифракционных пиков. Логично предположить, что такая ширина в нашем случае обусловлена в большей мере мелкодисперсной структурой кристаллитов, чем дислокационными микронапряжениями поверхностного слоя. Для подтверждения данного вывода вклады от указанных факторов оценены методом Уоррена — Авербаха [8]. В пользу сформулированного выше предположения косвенно свидетельствует смещение на дифрактограммах центра тяжести пиков с одновременным увеличением параметра решетки a до 1,15–1,17 %. Само смещение невелико, но ощутимо (выражается в сотых долях градуса).

Рассмотрим явления, происходящие при изменении значений технологических режимов (электрического напряжения и амплитуды колебаний), и их влияние на величину уширения пиков дифрактограммы в зависимости от размерного параметра решетки (рис. 2).

Рис. 2. Влияние варьирования режимов ЭЛАН на зависимость параметра решетки a от величины уширения пиков дифрактограмм β

Как и предполагалось, изменение режимов напыления влияет на параметр решетки a без определенной прослеживаемой зависимости. При этом изменения значений a прямо пропорциональны величине уширения линий дифрактограммы. В работе [9] сравнимые пропорциональные зависимости можно наблюдать для различных оксидов.

Такие неоднозначно интерполируемые зависимости свойственны наноструктурным материалам (в частности, металлам) и определяются физическим способом их синтеза [1, 10] (рис. 3).

Рис. 3. Влияние варьируемых параметров ЭЛАН на параметры микроструктуры

Машиностроение и машиноведение

Возможно, это явление объясняется наличием наноразмерного эффекта в упрочненном слое. Присутствие нанокристаллической структуры в напыленном слое напрямую подтверждается вычисленными значениями размеров областей когерентного рассеивания (ОКР). Наличие значимых величин угла разориентирования структуры кристаллов подтверждается величиной ОКР для исследованного рефлекса 110, а также заметно для рефлекса 220, что подкрепляется высоким процентным содержанием аморфной фазы. Похожие явления могут быть вызваны также высокими значениями углов разориентирования кристаллитов относительно друг друга.

Подводя итоги, можно констатировать, что все вышеперечисленные явления (в том числе размеры областей когерентного рассеивания) прямо подтверждают наличие наноразмерного эффекта [1].

Обсуждение и заключения. Итак, метод электроакустического напыления перспективен для получения нанокристаллических структур в поверхностном и приповерхностном слоях напыленных образцов. Изменение технологических параметров ЭЛАН приводит к появлению указанного в работе разброса значений параметров кристаллической решетки и областей когерентного рассеивания без определенной выявленной тенденции. В дальнейшем указанная проблема будет решена. Этому может способствовать экспериментальное определение оптимальных режимов напыления, обеспечивающих образование нанокристаллических структур. Кроме того, структуру напыляемого слоя можно наблюдать и оценивать с помощью электронной микроскопии.