Nanostrukturalne powłoki z udziałem dwuborku tytanu do zastosowań przeciwzużyciowych

Abstract

Badania nad otrzymywaniem nanostrukturalnych powłok funkcjonalnych są motywowane zarówno względami poznawczymi, jak i licznymi możliwościami ich zastosowań przemysłowych. Atrakcyjność powłok nanostrukturalnych typu Ti-Si-C i Ti-B wynika z ich wielofunkcyjności, którą można uzyskać poprzez powiązanie odpowiednich faz z tych układów i w ten sposób otrzymać tworzywa o atrakcyjnym zespole właściwości, np. o wysokiej odporności na utlenianie, dobrej przewodności elektrycznej i cieplnej, a jednocześnie dobrych właściwościach mechanicznych i tribologiczno- zużyciowych. Niniejsze opracowanie jest podsumowaniem prac badawczych Autorki nad otrzymywaniem cienkich warstw i powłok typu Ti-Si-C oraz Ti-B na podłożach ceramicznych i metalicznych z fazy gazowej metodami fizycznymi PVD: metodą dwuwiązkową IBAD oraz metodą ablacji laserowej PLD. Praca składa się z dwóch części: przeglądu literatury z zakresu tematyki prowadzonych badań, poprzedzonego krótkim wstępem, oraz charakterystyki powłok z udziałem dwuborku tytanu typu Ti-B oraz Ti-B/Ti-Si-C, dokonanej na podstawie badań własnych Autorki. Wprowadzenie dotyczy nowoczesnych materiałów nanostrukturalnych, ich unikalnych właściwości i możliwości ich wykorzystania w projektowaniu nowoczesnych narzędzi w kontekście obecnie obowiązujących trendów w obróbce skrawaniem. W rozdziale pierwszym zaprezentowano podstawowe zagadnienia dotyczące zużycia narzędzi skrawających oraz najczęściej stosowanych metod przeciwdziałania ich zużyciu, tj. poprzez zwiększenie twardości oraz poprzez obniżenie tarcia w strefie kontaktu. Autorka zwraca uwagę, że oba te efekty coraz częściej są osiągane na drodze inżynierii powierzchni, poprzez nałożenie powłok na powierzchnie tego typu wyrobów. Autorka koncentruje się na powłokach o budowie nanostrukturalnej, twardych i supertwardych, w tym z udziałem dwuborku tytanu. Przedstawia koncepcję nanostrukturalnych powłok „samoadaptujących się”, zbudowanych z krystalitów fazy twardej o nanometrycznej wielkości oraz faz o właściwościach smarnych rozproszonych w amorficznej osnowie. Autorka podkreśla możliwość wytworzenia powłok o podobnych cechach poprzez powiązanie dwuborku tytanu z fazami z układu Ti-Si-C i wskazuje fazy z tego układu, które ze względu na strukturę i zespół właściwości fizykochemicznych mogą być wykorzystane w projektowaniu nowoczesnych powłok funkcjonalnych do zastosowań przeciwzużyciowych. W drugim rozdziale zostały przedstawione metody otrzymywania powłok nanostrukturalnych, ze szczególnym uwzględnieniem procesów wykorzystanych do nakładania powłok typu Ti-B i Ti-Si-C. Koncepcja zawartych w opracowaniu prac badawczych zakłada kluczowe znaczenie metody otrzymywania powłok oraz jej parametrów, dla uzyskiwania ich wysokiej adhezji do podłoży, żądanego składu chemicznego i fazowego, mikrostruktury i związanych z nimi właściwości funkcjonalnych systemu powłoka–podłoże. Dla lepszego zrozumienia prezentowanych wyników badań, w rozdziale trzecim przedstawiono skrótowo podstawy teoretyczne wybranych metod eksperymentalnych. Kolejne sześć rozdziałów poświęcono analizie wyników badań eksperymentalnych nad strukturą i właściwościami powłok przeciwzużyciowych typu Ti-Si-C, Ti-B/Ti-Si-C oraz Ti-B z udziałem dwuborku tytanu. W rozdziale czwartym określono przedmiot badań. Uzasadniono wybór materiałów, wykorzystanych jako podłoża oraz jako materiały powłokotwórcze. Omówiono parametry procesów DB IBAD i PLD, które zastosowano do formowania powłok typu Ti-B, Ti-Si-C oraz Ti-B/Ti-Si-C, a także sposób doboru tych parametrów. W piątym rozdziale zaprezentowano metodykę badań, zrealizowanych samodzielnie przez Autorkę lub przy jej istotnym udziale. W rozdziałach szóstym i siódmym przedstawiono charakterystykę powłok Ti-Si-C oraz Ti-B/Ti-Si-C nałożonych na podłoża stalowe (AISI 316L) metodą dwuwiązkową IBAD (rozdział 6) oraz ablacji laserowej PLD (rozdział 7). Natomiast w rozdziale ósmym zaprezentowano wpływ obecności powłoki Ti-B, nałożonej metodą dwuwiązkową IBAD, na właściwości mechaniczne, tribologiczno-zużyciowe oraz skrawne gęstych spieków ceramicznych na bazie Al[2]O[3]. Charakterystyka powłok zaprezentowana w rozdziałach 6–8 obejmuje kompleksowe badania mikrostruktury, składu chemicznego i fazowego oraz badania właściwości mechanicznych oraz tribologiczno-zużyciowych podłoży pokrytych powłokami wraz z analizą mikrostrukturalną mechanizmu niszczenia systemu powłoka–podłoże. W kończącym opracowanie rozdziale dziewiątym dokonano podsumowania przeprowadzonych prac, przedstawiono wnioski oraz wskazano kierunki i wyzwania stojące wobec dalszych prac w zakresie prezentowanego tematu.