28723

تاثير ساختار تركيبات نيتريدي-كاربيدي پوشش‌دهي شده به روش كندوپاش بر خواص مكانيكي لايه نازك پايه تنگستن-تيتانيم

دكتري تخصصي (PhD)

مهندسي مواد و متالورژي- خوردگي و مهندسي سطح

1396

1402/3/23

منصور سلطانيه - رحيم نقي زاده

مهندسي مواد و متالورژي

پوشش هاي چند جزيي و سراميكي بدليل سختي بالا و پايداري شيميايي- حرارتي گزينهي مطلوبي براي حفاظت از سطح قطعات صنعتي در برابر سايش و خوردگي در محيطهاي گوناگون هستند. با توجه به روند افزايشي استفاده از اين پوششها در صنايع گوناگون خصوصا ماشينكاري، پژوهش حاضر به بررسي خواص تريبولوژيكي پوشش لايه نازك W-Ti-C-N با استفاده از روش كند و پاش ميپردازد. هدف از تحقيق حاضر بررسي احتمال حضور فاز كربن آمورف، احتمال رخداد پديده سمي شدن هدف و هندسه سطح پوششها با متغيرهاي بيبعد است. پوششها با استفاده از دو نوع روش كند و پاش با موفقيت روي زيرلايه هاي سيليكوني و فولادي ايجاد شد. روش اول تركيبي از توان پايين-جريان مستقيم و راديويي است كه در اكثر آزمايشگاهها و صنايع مرسوم است )نمونههاي گروه اول با DCMS+ RFMS (. روش دوم تركيبي از جريان مستقيم-توان پايين و توان بالا-جريان پالسي )كه سبب يونيزاسيون بيشتر پلاسما ميشود( است كه از دو دهه پيش مورد توجه قرار گرفت )نمونههاي گروه دوم و سوم با DCMS+ HiPIMS (. با استفاده از روش كند و پاش جريان مستقيم يا توان پايين، اثر دماي زيرلايه ) 5 سطح: 137 ، 200 ، 350 ، 500 و C ° 562 ( و نرخ ورودي گاز نيتروژن ) 5 سطح: 9 / 2 ، 4 ، 5 / 6 ، 9 و sccm 1 / 10 ) بر سختي و سايش پوششها مورد بررسي قرار گرفت. با استفاده از آناليز آماري، مقدار بهينه پارامترهاي دماي زيرلايه ) C°500 2N>9 ( براي حصول سختي بالا ) GPa 36 ( و كمترين سايش ) 10-8 mm3/N.m × 4 ( مشخص شد. با استفاده از روش توان بالا كند و پاش، اثر ولتاژ زيرلايه ) 4 سطح: 0 ،40 ، 60 و 80 ولت( و بيشينه توان ) 4 سطح: 44 ، 59 ، 89 و 105 كيلووات( بر سختي، چسبندگي و سايش پوششها مورد مطالعه قرار گرفت. با استفاده از روش توان بالا، پوششهايي با ضخامت كمتر ولي صافتر )عدد زبري 2 نانومتري در قياس با مقادير زبري بيشتر از 21 نانومتر كه در روش جريان مستقيم بدست آمده بود( ايجاد شدند. با توجه به تاثير ريزساختار بر خواص مكانيكي پوشش، براي بررسي موفولوژي و توپولوژي از ميكروسكوپ الكترونيروبشي و ميكروسكوپ نيروي اتمي استفاده شد. همچنين، پوششهاي بدست آمده با نرم افزار گرافيكي مورد بررسي قرار گرفتند تا ضرايب هندسي سطح تعيين شوند. با مقايسه نمونهها معلوم شد كه نمونه توليد شده با ولتاژ منفي 60 بيشترين استحكام )نسبت سختي به مدول يانگ بيشتر از 1 / 0 ( و كمترين سطح تماس )كمتر از 300 ميكرومتر در حين آزمون سايش( را دارا است.

1402/07/03

Effect of nitride-carbide microstructure on mechanical properties of W-Ti-based thin films produced by hybrid sputtering

6/12/2024 12:00:00 AM

Multi-component ceramic films at the surface of industrial tools have been significantly developed to protect them from wear and corrosion in various conditions. The main goals of this study are to investigate amorphous carbon generation and also target-poisoning possibility and fractal parameters. The present thesis investigates the effect of nitrogen flow rate, substrate temperature, substrate bias voltage and target peak power on the structural-tribological relations of W-Ti-C-N thin films produced by hybrid sputtering. The first group of samples (designed by DOE) were synthesized by DCMS+ RFMS chamber in Iran-Shahid Beheshti University. The second and third group of samples were synthesized by DCMS+ HiPIMS chamber in Portugal-University of Coimbra. Chemical analysis of the coatings (by means of EDS, XRD and Raman spectroscopy) is obtained and composite phase structure is revealed. Morphology of the coatings (by SEM observations) illustrates that defectless surfaces may be achieved in some cases. Topographical parameters (grain density, fractal parameter, skewness and kurtosis) are investigated by employing AFM images and graphical software. Indentation, scratch and pin-on-disk tests are applied to study mechanical behaviors of the films. To produce a wear-resistant nanocomposite film, a median bias voltage (-60 V), median peak power (89 kW), median nitrogen flow rate (6/5 sccm) or high temperatures (more than 500 ℃) are required. Friction coefficient of optimum samples was 0.46 while the others show higher levels. Finally, a model based on the representative volume element is developed to show crack propagation and delamination.

لايه نازك , كندوپاش با جريان مستقيم و توان پايين , كندوپاش با جريان متناوب و توان بالا , سايش , مشخصه هاي فركتال , تنگستن-تيتانيم-كربن-نيتروژن

thin film , DCMS , HiPIMS , Wear , Fractal-dimensionless parameters , W-Ti-C-N

Alireza Ataei

Dr. Soltaniye