nanokompozitna prevleka nc-TiN/a-Si3N4
nanoplastna prevleka TiAlN/CrN
Osrednja raziskovalna usmeritev odseka
so trde zaščitne prevleke, pripravljene s fizikalnimi postopki nanašanja (PVD –
physical vapor deposition).
Področja našega dela so:
Nanostrukturne trde prevleke
Še nekaj let nazaj so bile raziskave trdih prevlek usmerjene v iskanje novih materialov, tj. dodajanje tretjih elementov že znanim spojinam. Danes pa je poudarek na razvoju novih mikrostruktur, pri čemer pa povprečna kemijska sestava ostane nespremenjena. Pomembni sta dve glavni smeri razvoja. Prva so nanoplastne prevleke, npr. AlTiN/TiN, kjer je debelina posameznih plasti velikosti nekaj 10 nm, druga pa nanokompozitne prevleke, npr. c-TiN/a-Si3N4, kjer so zrna podobnih velikosti. Za nanostrukturne prevleke je značilna izrazito nelinarna odvisnost lastnosti od določenih vhodnih parametrov. Na Odseku nanostrukturne prevleke nanašamo že nekaj let in smo jih uspešno vpeljali tudi v proizvodnjo.
nanokompozitna prevleka nc-TiN/a-Si3N4
nanoplastna prevleka TiAlN/CrN
Nizkotemperaturne trde prevleke
Standardni postopki nanašanja trdih prevlek poteka pri temperaturi okoli 450 °C, kar sicer ne predstavlja problem za klasične orodne materiale, kot so hitrorezna jekla. Če nam uspe temperaturo nanašanja znižati na cca. 200 °C in ob tem obdržati ugodne mehanske lastnosti, pa lahko močno razširimo nabor orodnih materialov, ki jih lahko prekrijemo. Pomemben segment so tudi orodja ali celo končni izdelki iz aluminija. Pred 15 leti je bila naša raziskovalna skupina med prvimi v svetu, ki je razvila nizkotemperaturno prevleko CrN. Pred kratkim smo razvili tudi postopek nanašanja nizkotemperaturne prevleke TiN.
Primer poskusnega nanašanja nizkotemperaturne prevleke na končne izdelke iz aluminijeve zlitine
Argonova plazma med razprševanjem niobija pri pogojih pulznega razprševanja pri veliki vršni moči
Pulzno naprševanje pri visoki vršni moči
Današnji standard nanašanja trdih prevlek je enosmerno napajanje. Precej bolj omejena je uporaba pulznega napajanja, novost zadnjih let pa je t. i. high-power impulse magnetron sputtering (HIPIMS), kjer je katoda na potencialu le nekaj 10 μs, vršna moč pa velikostnega red 1 MW. Pri takšni gostoti moči je ionizacija plazme skoraj 100-odstotna, mikrostruktura nastale plasti pa finozrnata. Poleg eksperimentalnega dela v lastni napravi smo veliko preskusov naredili v laboratorijih v Berkleyju, kjer je gostoval naš sodelavec.
Princip nanašanja gradienta sestave v sistemu CrN–AlN
Kombinatorično procesiranje sestave trdih prevlek
Običajni postopek "skeniranja" vpliva sestave prevlek je nanos vrste prevlek po korakih sestave od ene skrajne stehiometrije do druge. Alternativni, le malo uporabljeni pristop pa je, da z uporabo gradientnih tarč v enem nanosu izdelamo zvezni prehod sestave vzdolž osi gradienta. Primeren način je uporaba segmentnih tarč trikotne oblike, kar zagotavlja enakomeren prehod od ene sestave do druge. Večji raziskovalni izziv pa predstavlja ustrezna interpretacija rezultatov, kjer standardna analitika diskretnih vzorcev pogosto ne zadošča več. Zaenkrat imamo na voljo tarče štirih elementov: Cr, Ti, V in Al. Doslej smo naredili že nekaj elementarnih preskusov in dokazali, da pristop dobro deluje.
Prečni prerez preko defekta, narejan z metodo fokusiranega ionskega curka
Defekti v trdih prevlekah
O defektih, ki nastanejo med rastjo trdih prevlek, je v literaturi zelo malo podatkov. Ker gre v bistvu za napake, se jim raziskovalci v glavnem ogibajo, industrija pa se pomena defektov sicer še kako zaveda, a svojih odkritij ne objavlja. Obstaja pa velik interes raziskati, kako ti defekti nastanejo in predvsem, kako se jim izogniti ali vsaj zmanjšati njihovo koncentracijo. Prav na mestu defektov namreč ponavadi pride do lokalnega korozijskega napada. Naš odsek ima veliko izkušenj pri študiju defektov, dejansko smo ena redkih raziskovalnih skupin v svetu, ki se s tem sistematično ukvarja.
Prečni prerez preko dvoplastne prevleke aCN z vrhnjo samomazivno plastjo
Prevleke z nizkim koeficientom trenja
Za razliko od visoke trdote je ena od smeri raziskav trdih prevlek usmerjena v doseganje čim nižjega koefienta trenja. Ker imajo v splošnem prevleke z nizkim koeficientom trenja tudi nizko trdoto, je uveljavljena smer raziskav priprava dvoplastnih prevlek: trda faza / faza z nizkim koeficientom trenja. Med najbolj razširjenimi prevlekami z nizkim koeficientom trenja so t. i. diamantu podobne prevleke (DLC). Na Odseku se že več let ukvarjamo z diamantu podobnimi prevlekami, eno od njih (aCN) pa smo tudi uspešno vpeljali v industrijo.
Topografija raze po tribokorozijskem preskusu na goli podlagi in na prevleki
Tribokorozijska analitika trdih prevlek
Pri zasledovanju degradacije funkcionalnih materialov sta dobro uveljavljeni dve skupini testov. Prvi je tribološko testiranje, kjer ugotavljamo mehanske poškodbe dveh materialov v drsnem kontaktu. Drugi pa je korozijsko testiranje, kjer zasledujemo kemijsko propadanje materiala v (mehansko gledano) statičnih razmerah. Sinteza obeh pristopov je tribokorozijski test, kjer sočasno zasledujemo oba procesa, torej hkrati merimo parametre drsne obrabe (npr. koeficient trenja) in elektrokemijske parametre (korozijski potencial, korozijski tok). Na ta način lahko in-situ sledimo degradaciji prevlek. Uspešnost tega pristopa smo pokazali na primerih dveh prevlek (TiAgN in TiSiN).
