ISSN 1995-2732 (Print), 2412-9003 (Online)
УДК 620.186
DOI: 10.18503/1995-2732-2022-20-2-107-119
Аннотация
Постановка задачи (актуальность работы).Актуальность работы обусловлена необходимостью управления процессами структурной модификации поверхностных и приповерхностных слоёв при формировании наноструктурных топокомпозитов на основе термодинамического подхода. Основная проблема заключается в необходимости разработки теории, позволяющей целенаправленно влиять на процессы послойной ионно-вакуумной модифицирующей обработки при создании наноструктурных топокомпозитов. Используемые методы. Теоретическую основу исследования составили положения развиваемого авторами структурно-термодинамического подхода к анализу плазменных процессов. Экспериментальные результаты получены методами как ионно-плазменной, ионно-лучевой обработки, так и при ионном ассистировании в условиях каскадного перекрёстного эффекта. Для нанесения промежуточного оксидированного слоя применялись методики химического модифицирования поверхности: оксидирования и пассивации. Для исследования морфологии и адгезионных свойств систем «покрытие-интерфейс-основа» применялись методы электронной, зондовой микроскопии, а также скретч-тестирования образцов. Новизна. Разработана структурно-термодинамическая модель, раскрывающая природу эффектов модификации в системе «покрытие-интерфейс-основа» на микро-, субмикро- и наноструктурном уровнях под воздействием ионно-плазменных потоков. Установлена связь между термодинамическими параметрами и технологическими режимами ионно-вакуумной обработки, раскрывающая возможности управления процессами структурной модификации поверхностных и приповерхностных слоёв. Обнаружено формирование квазиволновых мультимодальных наноразмерных структур. Результат. На основе термодинамического анализа структурной модификации установлено, что формирование градиентного строения топокомпозитов определяется активационными структурными процессами и управляется плотностью энергетического потока и реакцией материала на него, а диссипативных – интенсивностью энергомассопереноса в модифицируемой поверхности материала. Определяющей характеристикой формирования типа структурно-фазовых состояний и их протяжённостью (глубиной) в системе «покрытие-интерфейс-основа» является энергетический дисбаланс между активационными процессами, определяемыми интенсивностью ионно-вакуумного воздействия и диссипативными явлениями структурной релаксации материала основы. Практическая значимость. Результаты структурно-термодинамического анализа процессов модификации позволяют целенаправленно формировать различные типы градиентных топокомпозитов с заданной структурой и составом покрытий, интерфейса и приповерхостных слоёв материала основы.
Ключевые слова
структурно-термодинамический подход, эффекты модификации, ионно-плазменная обработка, система «покрытие-интерфейс-основа», градиентные топокомпозиты, интенсивность ионно-вакуумного воздействия
Для цитирования
Совершенствование технологии послойного формирования наноструктурных топокомпозитов методами ионно-вакуумной обработки на основе структурно-термодинамического подхода / Коротаев Д.Н., Тарасов Е.Е., Полещенко К.Н., Теплоухов А.А., Семенюк Н.А., Орлов П.В., Чуранкин В.Г., Ласица А.М. // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2022. Т. 20. №2. С. 107–119.https://doi.org/10.18503/1995-2732-2022-20-2-107-119
1. Upadhyay R., Brossard N. and Chen C.H. Mechanisms underlying astringency: introduction to an oral tribology approach. J. Phys. D: Appl. Phys. 49, 104003 (2016).
2. Matthews A., Franklin S. and Holmberg K. Tribological coatings: contact mechanisms and selection. J. Phys. D: Appl. Phys. 40, 5463 (2007).
3. Popova N.A., Zhuleikin S.G., Kovalenko V.V. et al. Gradient structures and long-range fields of stresses occurring in pearlitic steel at impact load. Sovremennye problemy prochnosti: nauch. trudy VI Mezhdunar. simpoziuma im. V.A. Likhacheva [Modern problems of strength: proceedings of the 6th Likhachev International Symposium]. Veliky Novgorod: Novgorod State University, 2003, vol. 1, pp. 86–91. (In Russ.)
4. Kovalenko V.V., Gagauz V.P., Piskalenko V.V. et al. Forming and evolving gradient structural phase states in thick welding seams.Fundamentalnye problemy sovremennogo materialovedeniya [Basic Problems of Modern Materials Science], 2004, no. 2, pp. 103–110. (In Russ.)
5. Vasilev M.A., Prokopenko G.I., Filatova V.S. Nanocrystallizing metal surfaces by severe plastic deformation methods. Uspekhi fiiziki metallov [Advances in Physics ofMetals], 2004, vol. 5, no. 3, pp. 345–399. (In Russ.)
6. Kovalenko V.V., Konovalov S.V., Gromov V.E. et al. Future belongs to gradient structures and phase states in steels and alloys. Vseros. nauch.-prakt. konferentsiya «Metallurgiya: novye tekhnologii, upravlenie, innovatsii i kachestvo» [All-Russian Scientific and Practical Conference "Metallurgy: new technologies, management, innovation and quality"]. Novokuznetsk: Siberian State Industrial University, 2005, pp. 64–69. (In Russ.)
7. Nanoinzheneriya poverkhnosti. Formirovanie neravnovesnykh sostoyaniy v poverkhnostnykh sloyakh materialov metodami elektronno-ionno-plazmennykh tekhnologiy [Surface nanoengineering. Formation of non-equilibrium states in the surface layers of materials by methods of electron-ion-plasma technologies]. Ed. by Lyakhov N.Z., Psakhie S.G. Novosibirsk: Publishing House of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 2008, 275 p. (In Russ.)
8. Sergeev V.P., Fedorishcheva M.V., Sergeev O.V. et al. Effect of ion-beam treatment on the structure and tribomechanical properties of TiN coatings. Fizika i khimiya obrabotki materialov [Physics and Chemistry of Materials Processing], 2008, no. 2, pp.10–13. (In Russ.)
9. Blinkov I.V., Volkhonskii A.O., Anikin V.N. et al. Phase composition and properties of wear resistant Ti–Al–Cr–Zr–Nb–N coatings manufactured by the arc physical deposition method. Inorganic Materials: Applied Research, 2011, vol.2, no.3, pp.285–291.
10. Volkhonskii A.O., Blinkov I.V., Elyutin A.V. et al. High-performance wear-resistant ion-plasma coatings based on five-component nitrides for a hard-alloy cutting tool operating under constant loads. Metallurgist, 54, 374–377 (2010).
11. Bazaleeva K.O., Kraposhin V.S., Tsygankov P.A. et al. Structural changes in TiAl multi-layer nanofilms. Materialovedenie [Materials Science], 2008, no. 4, pp. 35–39. (In Russ.)
12. Karpov L.I., Vnukov V.I., Volkov K.G. et al. Potential of the vacuum rolling method as a technique for producing nanolayer composites with nanometer thicknesses of layers. Materialovedenie [Materials Science], 2004, no. 1, pp. 48–53. (In Russ.)
13. Kurzina I.A. Nanoscale intermetallic phases forming during ion implantation. Materialovedenie [Materials Science], 2010, no. 2, pp. 49–64. (In Russ.)
14. Kolesnikov A.G., Plokhikh A.I. Structural metallic materials with a submicro- and nanoscale structure. Vestnik MGTU im. N.E. Baumana. Ser. Priborostroenie [Bulletin of Bauman Moscow State Technical University. Series: Instrumentation], 2010, no. 5, pp. 44–52. (In Russ.)
15. Blinkov I.V., Volkhonsky A.O. and Podstyazhonok O.B. Structure and properties of multilayer coatings deposited with PVD-ARC technology. Surface engineering, 2, 57–63 (2011).
16. Upadhyay R., Brossard N. and Chen C.H. Mechanisms underlying astringency: introduction to an oral tribology approach. J. Phys. D: Appl. Phys. 49, 104003 (2016).
17. Grinberg P.B., Korotaev D.N., Poleshchenko K.N. et al. Developing and producing nanostructured topocomposites. Vestnik SibADI [The Russian Automobile and Highway Industry Journal], 2015, no. 3(43), pp. 39–45. (In Russ.)
18. Grinberg P.B., Poleshchenko K.N., Goryunov V.N. et al. The method for producing nanostructured topocomposites to increase load capacity of structural elements of power equipment. Vestnik Omskogo universiteta [Bulletin of Omsk University], 2012, no. 2, pp. 253–258. (In Russ.)
19. Korotaev D.N., Eremin E.N., Poleschenko K.N. et al. Nanostructured titanium coatings for parts operating under conditions of fretting-corrosion. AIP Conference Proceedings, 040019 (2019). https://doi.org/10.1063/1.5122138
20. Grinberg P.B., Poleschenko K.N., Korotaev D.N. et al. Receiving nanostructural topocomposite coatings in terms of the cascade cross effect. Journal of Physics: Conference Series, 012054 (2019). DOI:10.1088/1742-6596/1210/1/012054
21. Poleshchenko K.N., Korotaev D.N., Eremin E.N., Nesov S.N., Tarasov E.E., Teploukhov A.A., Semenyuk N.A., Ivanova E.V., Lasitsa A.M., Ivanov A.L. Formation of nanostructured topocomposites with cluster-gradient architecture by combined ion-vacuum processing. Vestnik Magnitogorskogo Gosudarstvennogo Tekhnicheskogo Universiteta im. G.I. Nosova [Vestnik of Nosov Magnitogorsk State Technical University], 2021, vol. 19, no. 2, pp. 68–78. (In Russ.) https://doi.org/10.18503/1995-2732-2021-19-2-68-78
22. Kim V.A., Korotaev D.N., Solovev V.V. Thermodynamics of hardening technologies. Vestnik Amurskogo gosudarstvennogo universiteta [Bulletin of Amur State University], 1999, no. 6, pp. 32–35. (In Russ.)
23. Vershinin G.A., Poleshchenko K.N., Povoroznyuk S.N. et al. Mass transfer in heterogeneous materials under irradiation with high-intensity beams of charged particles. Surface Investigation, 16, 761–767 (2001).