Microstructural analysis of wear mechanisms of single-and multi-layer coatings based on the tin and a-C:H composition

Przedmiotem pracy była analiza mechanizmów zużycia monowarstwowych powłok azotku tytanu (TiN) i amorficznego węgla (a-C-H) i wielowarstwowych powłok bazujących na składzie TiN/a-C-H. Powłoki wytworzone zostały za pomocą techniki ablacji laserowej (PLD- Pulsem Laser Deposition). Materiały zostały poddane dwóm rodzajom testów na zużycie: standardowy test kula-tarcza (na urządzeniu T01) i test statyczny na wciskanie kulistego penetratora z siłą 1N (na urządzeniu micro-combi tester CSM), który symulował ich rzeczywiste warunki pracy w zastosowaniu na elementy pomp wspomagania serca. Diagnostyka mikrostrukturalna powłok przed, jak i po procesie zużycia wykonana została z wykorzystaniem transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM) na mikroskopie TECNAI G2 F20 (200 kV FEG). Analiza fazowa i skład chemiczny przeprowadzone zostały za pomocą technik, odpowiednio dyfrakcji elektronowej i spektralnej analizy rentgenowskiej (EDS - Energy Dispersive Spectroscopy). Oddziaływanie siły zewnętrznej podczas procesu zużycia na monowarstwową powłokę TiN spowodowało powstanie pęknięć propagujących się wzdłuż płaszczyzn najgęstszego ułożenia atomów dla struktury regularnej ściennie centrowanej, czyli wzdłuż {111}. Powłoki amorficznego węgla charakteryzowały się wyjątkowo niskim współczynnikiem tarcia (najniższym spośród analizowanych powłok). Zużycie powłok wielowarstwowych różni się od monowarstwowych. Monowarstwy zużywają się gwałtownie. Ideą zastosowania wielowarstw TiN/a-C-H była w większym stopniu możliwość kontrolowania procesów zużycia. Tego typu powłoki zużywają się warstwa po warstwie [1].Single layered TiN coating was characterized by a columnar structure with a large number of dislocations. a-C: H coating was completely amorphous. Multi-layer TiN/a-C:H coating was built of TiN and a-C:H layers placed in a sequence way. Wear test (ball-on-disc) showed that the multilayer coating was characterized by a low friction coefficient, similar to single-layered a-C:H coating. Cracks in the single TiN coating and in individual TiN layers in the multilayer coating propagated on {111}planes. Thin metal layers in a multilayer coating plastically deformed. Deformation realized at an angle of 45° to the crystallites growth direction. The presence of the metallic phase in the coating increased the energetic cost of propagating crack and the increase of brittle fracture resistance in comparison to single layered TiN coating