Исследование адгезионных характеристик силицидных покрытий на молибдене методом склерометрии
Дипломная работа - Физика
Другие дипломы по предмету Физика
ального запаса работоспособности, закладываемого материалами, конструкцией и технологией изготовления.
Одним из перспективных направлений физического материаловедения, обеспечивающего развитие многих передовых технологий и создание новейших образцов техники, является нанесение на металлы различных защитных покрытий с требуемым комплексом свойств. Достойное место среди применяемых покрытий занимают силицидные покрытия на тугоплавких металлах, в том числе на молибдене.
Силициды молибдена известны с 1907 года, когда для защиты от коррозии ковких металлов была впервые синтезирована дисилицидная фаза [1]. За прошедшее столетие интерес к этим материалам то угасал, то вновь возникал в зависимости от путей развития и состояния науки, техники и технологий. К концу 1940-х годов относятся первые работы по специальному синтезу и исследованию дисилицида молибдена, которые вскоре резко интенсифицируются [2] и приводят к главному промышленному достижению - созданию фирмой Kanthal высокотемпературного материала на основе дисилицида молибдена [3].
Следующий всплеск интереса к силицидам молибдена приходится на 1970-е годы, когда он стал применяться в качестве защитных покрытий для газовых турбин [4], и начался новый этап работы - исследования работоспособности при предельных температурах [5-6].
В последние десятилетия наблюдается очередной всплеск публикаций по силицидным материалам. Во многом это связано с новыми технологическими возможностями исследовательской аппаратуры, установок синтеза и модифицирования материалов [7].
Подавляющее большинство последних работ по силицидам посвящены изучению композиционных и наноструктурных материалов, в том числе - технологическим аспектам формирования и эксплуатации композиционных покрытий, а также ряду фундаментальных вопросов термодинамики и кинетики [8, 9].
Сравнительно небольшое число публикаций освещает связь эксплуатационных возможностей изделий с покрытиями и структурно-фазовых характеристик покрытий, причем значительная часть таких работ - это более или менее успешные попытки прогнозирования поведения изделий расчетным путем. Мало работ по исследованию и прогнозированию разрушения силицидов [10, 11]. Практически нет попыток предсказания высокотемпературного поведения силицидных покрытий на основе экспериментальных данных о структурно-фазовом состоянии реальных изделий при комнатных температурах.
Из обширного перечня известных методов формирования силицидных защитных покрытий выделим пять наиболее разработанных: парофазное осаждение в вакууме, активированное осаждение из газовой среды, жидкофазное силицирование, газопламенное и плазменное напыление, наплавление или оплавление с использованием шликерной технологии.
Практически все перечисленные технологии используют диффузионные процессы для получения силицидных слоев, хотя эти слои заметно различаются по своим физико-химическим свойствам (фазовому составу, толщине, сплошности, сцеплению с подложкой и т.д.) и, соответственно, эксплуатационным возможностям.
Диффузионные покрытия, получаемые в вакуумных условиях, отличаются максимально высокой адгезией, чистотой, возможностью достаточно легко варьировать фазовый состав и толщину покрытия изменением условий химико-термической обработки.
В литературе имеются многочисленные, зачастую противоречивые данные о термостойкости и жаростойкости силицидов молибдена, вольфрама, других тугоплавких металлов, а также силицидных покрытий на них [12, 13]. В основе противоречий чаще всего лежит отсутствие единого подхода при описании покрытий и технологии их формирования, а также методики проведения испытаний. Но в одном практически все авторы сходны: эксплуатационные возможности диффузионных силицидных покрытий лимитируются двумя факторами - перераспределением фаз и дефектностью. Поэтому разработка покрытий с низкой дефектностью и замедленным перераспределением защитных слоев является актуальной задачей.
Несмотря на большой объем работы, проделанной предыдущими поколениями исследователей силицидных покрытий, нерешенными остаются такие важнейшие проблемы, как изменение механических (конструкционных) свойств системы молибден - силицидное покрытие в процессе формирования покрытия и в ходе высокотемпературной эксплуатации, выяснение особенностей разупрочнения, растрескивания и разрушения покрытия в различных режимах работы.
Основным функциональным назначением силицидных покрытий на молибдене является защита этого металла от разрушающего действия высокотемпературного окисления, иными словами покрытие должно обеспечивать жаростойкость и термостойкость молибденовых изделий.
Необходимо отметить, что реализация указанных функциональных характеристик невозможна без сохранения требуемого уровня конструкционных свойств композиции силицидное покрытие - молибденовая подложка.
Для успешной высокотемпературной работы молибденовых изделий с силицидными покрытиями необходимо, как минимум, обеспечить достаточную адгезию и прочность покрытия. Потеря работоспособности и разрушение изделий происходят вследствие деградации указанных свойств под действием внешних факторов.
Традиционные методы определения адгезии применимы преимущественно к тонкопленочным системам, в которых толщина покрытия не превышает нескольких микрометров, а к качеству поверхности предъявляются весьма высокие требования [14-15].
В данной работе сделана по