Анотація до роботи:

Кравченко Ю.А. Структура та властивості захисних гібридних покриттів TiN/Al₂O₃ та TiN/Cr/Al₂O₃. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла. - Сумський державний університет. - Суми, 2007.

Дисертація присвячена встановленню закономірностей формування структури і морфології гібридних покриттів на поверхні сталі AISI 321, визначенню впливу параметрів низькоенергетичних високошвидкісних електронних пучків на процеси масоперенесення і фазових перетворень у складі захисних шарів, а також вибору оптимальних умов і режимів модифікації їх властивостей.

Осадження порошкового підшару Al₂O₃ супроводжується нагріванням

поверхні підкладки вище температури плавлення, що приводить до вплав-лення частинок у приповерхневу область сталі і дозволяє сформувати по-криття з аморфно-кристалічною структурою на основі a- і метастабільних фаз (g-, d-, q-, b-) Al₂O₃. Подальша вакуумно-дугова конденсація плівок TіN і Cr на підшар оксиду алюмінію супроводжується частковим зниженням його шорсткості і появою ГЦК- та тетрагональної (e-) модифікацій TіN.

Виконане комплексне дослідження змін у морфології, будові по глиби-ні і фазовому складі захисного шару при термічній обробці поверхні електронним пучком. Для якісного опису результатів проведена оцінка тем-ператури поверхні залежно від часу дії і параметрів низькоенергетичного високошвидкісного електронного пучка. Встановлені умови і режими, які приводять до зменшення розмірів неоднорідностей поверхні і дозволяють активувати процеси відновлення a-фази Al₂O₃ з її метастабільних модифікацій.

Під впливом низькоенергетичного високошвидкісного електронного пучка відбувається перерозподіл атомів Ti, N і Сr вглиб порошкового підшару, а також його зневуглецьовування і збільшення вмісту атомів С на поверхні покриття. Розрахунок ефективного коефіцієнта масоперенесення атомів Ті дає величину ~ 10^-13 -10^-12 м²/с.

Вивчення механічних властивостей покриттів свідчать про сильний вплив фазового складу на величину мікро- і нанотвердості. Осадження Сr і TіN в комбінації з електронно-променевою обробкою сприяє підвищенню корозійної стійкості поверхні.

1. Плазмово-детонаційне осадження порошку Al₂O₃ супроводжується:

• формуванням захисного шару на основі атомів Al (26 ат.%) та O (62 ат.%) з домішкою складових елементів атмосфери плазмотрона (С);

• плавленням порошку і його швидким подальшим твердненням, що приводить до активації фазових переходів типу ag і дозволяє отримати захисний шар на основі a-(до 70 об.%) і g-фази (до 30 об.%) Al₂O₃ з домішкою його метастабільних d-, q-, b- та аморфної модифікацій.

2. Аналіз морфології поверхні гібридних покриттів показав, що:

• конденсація плівок TіN і Сr лише частково згладжує шорсткість порошкового підшару;

• ЕПО підшару Al₂O₃ з q=3,610⁶ Вт/м² призводить до помітного зниження висоти мікровиступів, що дає можливість отримати однорідні за товщиною шари Cr та TіN і сформувати покриття з розміром неоднорідностей порядку 1 мкм;

• високошвидкісне порядкове нагрівання покриттів TiN/Cr/Al₂O₃ НВЕП (d_п»310^-4 м, q=(2,4-4,8)10⁸ Вт/м²) викликає інтенсивне плавлення, часткове розпилення і дегазацію опромінених ділянок захисного шару;

• послідовне нагрівання матеріалу TiN/Al₂O₃ (товщина підкладки 1,110^-3м) з густиною потужності q₁=7,110⁶ і q₂=13,410⁶ Вт/м² дозволяє проплавити покриття на глибину ~ 60 мкм та сформувати щільний малошорсткий захисний шар і виключити можливість формування мікротріщин у підшарі Al₂O₃.

3. Методами мікроаналізу, РЗР та ОЕС встановлено, що:

• плівка Сr у складі гібридних покриттів уповільнює швидкість поширення атомів Ti вглиб підшару Al₂O₃;

• високошвидкісне нагрівання покриттів НВЕП (q=11,510⁶ Вт/м², Т»2800 К) активує процеси перерозподілу атомів Ti вглиб шару Cr/Al₂O₃ з ефективним коефіцієнтом масоперенесення ~ 10^-13-10^-12 м²/с;

• електронно-променева обробка викликає дифузію атомів С, О та Al у напрямі поверхні покриття, а повторне нагрівання матеріалу до Т»3000 К приводить до зникнення атомів вуглецю зі складу порош-кового підшару і збільшення його концентрації на поверхні до 40 ат.%;

• двократне нагрівання TiN/Al₂O₃ (Т₁»1700 К, Т₂»3000 К) приводить до розмиття профілів розподілу Ti і N на глибину 5 і 8,2 мкм відповідно.

4. Високошвидкісне нагрівання гібридних покриттів НВЕП супро-воджується рядом структурно-фазових перетворень (gdq-Al₂O₃, e-TiNГЦК-TiN), інтенсивність і результат яких залежать від часу оброб-ки матеріалу та швидкості відведення тепла при визначальній ролі його енергетичних параметрів:

фазовий склад захисного шару (початковий стан) відповідає 60 об.% a-фази Al₂O₃, 25 об.% g-Al₂O₃ та 15 об.% (d+q+b-Al₂O₃+e-TiN+TiN);

нагрівання підшару Al₂O₃ до Т=2500 К протягом 1,2 с формує захисний шар з фазовим складом a-Al₂O₃ (90 об.%) та g-Al₂O₃+e-TiN+TiN (10 об.%);

дворазова ЕПО TiN/Al₂O₃ активує часткове відновлення q-фази Al₂O₃ (q₁=7,110⁶ Вт/м² , t=0,6 с), a-фази Al₂O₃ (~ 65 об.%) і повне відновлення кубічної структури TiN (5 об.%) ( q₂=13,410⁶ Вт/м², t=0,6 с).

5. Застосування електронно-променевої обробки для формування щільних захисних покриттів з низькою шорсткістю і максимальним вмістом a-фази Al₂O₃ дозволяє отримати корозійностійкий матеріал з мікротвердістю Н»14,510⁹ Па.

Публікації автора:

Статті в наукових журналах:

1. Особенности структуры и свойств гибридных покрытий ТiN/Сr/Аl₂О₃ и ТiN/Аl₂О₃, полученных в результате комбинированной обработки / А.Д. Погребняк, Ю.А. Кравченко, И.Д. Горлачев, Ш.М. Рузимов, Ф. Ноли, А. Хадзидимироу // Mеталофиз. новейшие технол. – 2006. - Т. 28,

№ 7. - С. 923-945.

2. Погребняк А.Д., Кравченко Ю.А. Формирование гибридных покрытий TiN/Cr/Al₂O₃ и TiN/Al₂O₃ на подложках из AISI 321 // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. - 2006. – №11. – С. 74-96.

3. TiN/Cr/Al₂O₃ and TiN/Al₂O₃ hybrid coatings structure features and properties resulting from combined treatment / A.D. Pogrebnjak, Yu.A. Kravchenko, S.B. Kislitsyn, Sh.M. Ruzimov , F. Noli, P. Misaelides, A. Hatzidimitriou // Surf. Coat. Technol.- 2006.- V.201.- P. 2621-2632.

4. Погребняк А.Д., Кравченко Ю.А. Структура и свойства защитных гибридных покрытий, нанесенных комбинированным способом // Вісник СумДУ. Серія Фізика, математика, механіка. - 2004. - № 8 (67). – С. 49-69.

5. Погребняк А.Д., Кравченко Ю.А., Кшнякин В.С. Термический отжиг с помощью электронного пучка и его влияние на структуру и фазовый состав гибридных покрытий // Вісник СумДУ. Серія Фізика, математика, механіка. - 2004. - № 10 (69). – С. 182-196.

6. Особенности структуры и физико-механических свойств гибридных и комбинированных покрытий / А.Д. Погребняк, В.В. Понарядов, Ю.А. Кравченко, Ш.М. Рузимов // Физическая инженерия поверхности.- 2003. - Т.1, № 3/4. – С. 210-236.

7. Влияние режимов оплавления поверхности пучками электронов на микротвердость и коррозионные свойства покрытий ТiN/Аl₂О₃ и ТiN/Сr/Аl₂О₃ / А.Д. Погребняк, Ю.А. Кравченко, В.С. Кшнякин, С.Н. Маслова // Вісник СумДУ. Серія Фізика, математика, механіка. - 2006. - № 6 (90). – С. 136-149.

Публікації в матеріалах конференцій:

8. Pogrebnjak A.D., Kravchenko Yu.A. Мodification of properties of hybrid TiN/Al₂O₃ coatings using electron beam melting // Изв. вузов. Физика. – 2006.- № 8. Приложение. – С. 442-445.

9. Structure and properties of hybrid coatings / A.D. Pogrebnjak, Yu.A. Kravchenko, V.V. Vasilyuk, Yu.N. Tyurin, D.L. Alontseva, Sh. M. Ruzimov, V.V. Ponaryadov // Труды 8-й Международной конференции "Физика твердого тела".- Алматы: ИЯФ НЯЦ РК, 2004.– С. 75-94.

10. Физико-химическое состояние гибридных покрытий, облученных сильноточным электронным пучком / А.Д. Погребняк, С.М. Дуванов, Ю.А. Кравченко, В.С. Кшнякин, Ю.Н. Тюрин, А.А. Бондарев // III International symposium "New electrical and electronic technologies and

their industrial implementation". - Zacopane (Poland), 2003. – С. 157-159.

11. Исследование свойств гибридных покрытий и их структуры до и после облучения электронным пучком / А.Д. Погребняк, Ю.А. Кравченко, С.М. Дуванов, Ч. Козак // IV International conference "New electrical and electronic technologies and their industrial implementation". - Zacopane (Poland), 2005. - P. 218-220.

12. Structure and properties of hybrid сoatings / A.D. Pogrebnjak, Yu.A. Kravchenko, V.V. Vasilyuk, Yu.N. Tyurin, D.L. Alontseva, Sh.M. Ruzimov, V.V. Ponarjadov // 7 International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows. – Tomsk: Publishing house of the IAO SB RAS, 2004. – P. 417-422.

13. Применение комбинированной технологии для модификации поверх-ности тонкостенных подложек из нержавеющей стали типа AISI 321 / А.Д. Погребняк, Ю.А. Кравченко, С.М. Дуванов, Ш.М. Рузимов // Ма-териалы 6-й Международной конференции "Взаимодействие излучения с твердым телом".- Минск: Издательский центр БГУ, 2005. – С. 414-416.

14. Погребняк А.Д., Кравченко Ю.А. Влияние электронно-лучевого оплав-ления на формирование гибридных покрытий TiN/Al₂O₃ // Труды V Международной научной конференции "Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах".- Томск: Изд-во ТПУ, 2006.- С. 273-277.

15. Погребняк А.Д, Кравченко Ю.А., Кшнякин В.С. Особенности фазовых превращений в структуре гибридных покрытий TiN/Сr/Al₂O₃ и TiN/Al₂O₃, полученных комбинированным способом // Харьковская нанотехнологическая ассамблея. - Харьков: ННЦ ХФТИ, 2006.- Т.1.- С. 267-276.