Practical applications of new method of complex properties and behaviour of systems thin film substrate

Transkript

1 Practical applications of new method of complex properties and behaviour of systems thin film substrate Praktické aplikace nových metod komplexního hodnocení vlastností a chování systémů tenká vrstva - substrát Ivo Štěpánek Západočeská univerzita, Veleslavínova 11, Plzeň - ČR Abstrakt At present time a lot of experimental works is directed to experimental activities on increasing precision of method of properties analysis and behaviour of systems thin film - substrate with a view to practical exercise observation systems. Big problem is increasing reproducibility of deposition proces of thin films with the same control properties. Very much parameters influence on deposition process. The second problem is increasing reproducibility of analysis properties and behaviour of systems thin film - substrate, finding the right method for analysis and analysis directed to the practice use. This paper is devoted by complex analysis properties and behaviour of systems thin film - substrate, discussion about their reproducibility and parameters which influence on measurements. The analysis are directed on mechanical properties and behaviour by indentation tests and analysis corrosion and temperature behaviour of systems thin film - substrate and combinated stress (mechanical stress-corrosion, mechanical stress-temperature and corrosion-temperature) Úvod Mechanické vlastnosti základního materiálu, jeho povrchu a tenkých vrstev jsou velice důležitými vstupními parametry jednak pro proces deposice tenkých vrstev, což je v případě základního materiálu a dále ve všech třech případech jako vstupní parametry pro ovlivňování životnosti nástrojů a součástí různě namáhaných v praxi. Proto se jim věnuje veliká pozornost. Z důvodu hodnocení systémů pro praktické využití však je nutno brát ve zřetel určitá přiblížení a aproximace těchto podmínek a pohled zda pouze základní vlastnosti mohou věrohodně předpovídat výsledky praxe a dopad na výrobu. Aproximace podmínek a hodnocení vlastností se dostává i do jistých omezení i z pohledu možností analytických přístrojů, které buď hovoří o základních vlastnostech a hodnocení jsou prováděna na ideálních systémech, ale je možno uvažovat o studiu procesů, působících vlivů z pohledu studia materiálu, nebo přibližují podmínky praxe věrohodněji a jsou ale daleky od pochopení podstaty. Každý směr má svůj přínos, ale je potřeba studovat obojí ovšem za obdobných podmínek. Tedy studium na systémech reálnějších v praxi a laboratorní aproximace podmínek praxe. Reprodukovatelnost systémů s tenkými vrstvami a aproximace praxe Z pohledu řešení problematiky deposice tenkých vrstev, v našem případě deponovaných pomocí zařízení pracujícím na principu nízkonapěťového reaktivního obloukového odpařování ve vakuu, se studují korelace mezi deposičními parametry, vlastnostmi tenkých

2 vrstev a jejich mikrostrukturou v současné době rozšiřované i na korelace mezi výše uvedenými a metodikami hodnocení vlastností i chování systémů tenká vrstva substrát a přechází se od hodnocení samotné tenké vrstvy na hodnocení celého systému tenká vrstva substrát. Pro získávání reprodukovatelných výsledků vlastností a chování sledovaných systémů jsou hodnoceny vlivy jednotlivých makro i mikroparametrů na procesy deposice a výsledné chování systémů s tenkými vrstvami. Často se však ukazuje, že nereprodukovatelnost nemusí být dána vždy deposičním procesem, ale stavem materiálu před procesem a hlavně též nevěrohodným postupem hodnocení vlastností a chování tenkých vrstev přesněji spíše systémů tenká vrstva substrát [1]. Proto v poslední době byla největší pozornost dána především metodikám hodnocení vlastností a chování systémů tenká vrstva substrát a rozšiřování hodnocení do dalších směrů pro komplexní hodnocení systémů [2],[3],[4],[5]. Dále se ukazuje nutnost srovnávání hodnocení na reálných površích materiálů a reálných tvarech součástí, které mají vliv jak na samotný deposiční proces tak na výsledky hodnocení vlastností a chování sledovaných systémů. Pro aplikovatelnost systémů s tenkými vrstvami je tedy důležité sledovat ve velice úzké vazbě deposiční proces a analytické metody. Pro korelace mezi laboratorním zkoušením a praktickými podmínkami je důležité studovat dále konkrétní prostředí, ve kterém se pak finálně systémy pohybují a jaké kombinované vlivy na ně působí [6],[7]. Mechanické vlastnosti a chování systémů tenká vrstva substrát Mechanické vlastnosti sledovaných systémů jsem sledovány především vnikacími zkouškami diamantovými hroty a to zkouškami statickými a dynamickými. Statické zkoušky jsou myšleny při který se vzorek nepohybuje v tečném směru. Dynamické jsou vlastně vrypové při kterých dochází k vytvoření vrypu. Statické vnikací zkoušky Pro komplexní hodnocení mechanických vlastností a chování sledovaných systémů při vnikacích zkouškách statických spočívá hodnocení v měření na základě grafu závislosti míry informace na zatížení (obr.1) [8], který je dále rozvíjen a může dávat komplexní informace o mechanických vlastnostech a chování systémů tenká vrstva substrát. Vnikací zkoušky jsou prováděny ve veliké oblasti zatížení působícího na diamantový hrot. Zkoušky jsou poměrně snadno proveditelné i na reálných površích pro hodnocení jak samotné tenké vrstvy, tak základního materiálu před samotným procesem deposice i po procesu pro sledování probíhajících změn vlivem procesu a dále pro hodnocení systému jako celku. Mezi základní hodnocení vlastností tenkých vrstev patří hodnocení mikrotvrdosti tenké vrstvy, přičemž v případě hodnocení tvrdých otěruvzdorných vrstev je nutno hodnocení provádět při malých zatíženích, při kterých není měření ovlivněno základním materiálem systému. Toto je však při tak malých zatíženích, že vtisky pro měření mikrotvrdosti nejsou dobře viditelné (obr.3) a tím je měření velice zatíženo chybami a výsledky jsou velice sporné [1]. Přechází se na hodnocení nanoindentorem, který realizuje měření na bázi hodnocení závislosti zatížení a hloubka proniknutí diamantového hrotu (obr.2) a není potřeba hodnotit provedené vtisky (obr.3), což je mnohem přesnější při hodnocení hlavně tenkých vrstev, ale i lokálních vlastností (obr.2) [9]. Tento přístroj umí kromě základních vlastností i měření v dalších modech jako je např. cyklické vnikací zkoušky do jednoho místa (obr.5) [9]. Při vyšších hodnotách zatížení jsou hodnoceny další vlastnosti jako např. adhezivně kohezivní chování systémů tenká vrstva substrát (obr.4 a obr.3). Vnikací zkoušky statické jsou použitelné i pro hodnocení mechanických vlastností a chování na reálných površích, které přibližují reálný stav materiálu

3 v praxi. Svým způsobem je možno do jisté míry realizovat měření též na složitých tvarech součástí kam se ještě může diamantový hrot dostat pro provedení vtisků. Pro praxi jsou výhodné dále zkoušky cyklických vtisků do jednoho místa a sledování vývoje porušování při opakovaném namáhání materiálu a sledování lokálních únavových vlastností materiálů s tenkými vrstvami i bez nich (obr.4 a obr.5). Pro celkové hodnocení přinášející komplexnější pohled na systémy se přechází od hodnocení základních vlastností (mikrotvrdosti) (obr.3) k chování při vnikacích zkouškách a vyhodnocování indentačních křivek (obr.2) až k hodnocení cyklickými vnikacími zkouškami a změny indentačních křivek v závislosti na prováděných cyklech (obr.5), ve kterých je však nutno eliminovat vlivy přístroje a krátkodobých i dlouhodobých vibrací [9]. Obr.1: Graf závislosti míry informace na zatížení působícím na diamantový hrot Obr.2: Příklady indentačních křivek při různých maximálních zatíženích

4 Obr.3: Příklady vtisků při různých zatíženích působících na diamantový hrot Obr.4: Příklady makrovtisku při jednom vtisku (první) a po cyklickém zatěžování

5 Obr.5: Indentační křívka při cyklickém zatěžování posuny jsou dány přístrojem Vnikací zkoušky dynamické Při standardním hodnocení se vychází z prováděné vrypové zkoušky diamantovým hrotem při proměnné nebo konstantní normálové síle a pohybu stolku se vzorkem. Při standardním hodnocení je sledována kritická síla adheze, která je však závislá na mnoha faktorech při celkovém hodnocení a tím jsou získávány i velice rozdílné výsledky z měření na stejném systému tenká vrstva substrát [1]. Tím vzniká vysoká nereprodukovatelnost výsledků daná vyhodnocováním výsledků vrypové zkoušky v určování čísla adheze tenkých vrstev k základnímu materiálu. Určuje se tzv. kritická sila, jako velikost zatížení při kterém dojde k odtržení vrstvy od základního materiálu [1]. Ovšem určení této síly je dáno řadou faktorů, které jsou nepřesné. Vyhodnocení může probíhat jak z obrazové informace o morfologii vrypu a porušení podél něj, tak z průběhu signálu akustické emise na zatížení a též z průběhu signálu koeficientu tření v závislosti na velikosti zatížení působícího na diamantový hrot (obr.6). Přechází se tudíž k hodnocení nejen kritické síly adheze z jednotlivých informacích zkloubených do celkové informace znázorněné na obr.6 ale též k celkovému hodnocení adhezivně kohezivního chování systémů tenká vrstva substrát hodnocením celkového obrazu vrypové zkoušky doplněného průběhy signálů akustické emise a koeficientu tření v závislosti na velikosti zatížení (obr.7) [3]. Výsledky jsou připravovány pro hodnocení obrazových informací pomocí systému obrazové analýzy z hlediska jak celkové plochy porušení podél vrypu a uvnitř něj (obr.8). Jsou prováděny hodnocení vrypové zkoušky pro optimalizaci metodiky pomocí řádkovací elektronové mikroskopie a rozložení prvků po povrchu mikrosondou. Hodnocení z těchto zkoušek je dále rozvíjeno pro přibližování opotřebení v praxi. Jsou prováděny zkoušky opotřebení cyklickými vrypovými zkouškymi v jednom místě a průběžně hodnoceny komplexní informace o průběhu adhezivně kohezivního chování sledovaných systémů (obr.9 a obr.10). Z těchto informací získáváme prostorové vyjádření celkových zkoušek, ze kterých lze částečně usuzovat na vývoj porušování a opotřebení materiálů (obr.9 a obr.10) [4]. Vývoj jde tedy od hodnocení základních vlastností kritické síly adheze a koheze, tedy informací o jedné číselné či několika číselných hodnot (velice nepřesné hodnocení s velkou nereprodukovatelností) (obr.6) [1], přes hodnocení adhezivně kohezivního chování sledovaných systémů ve vyjadřování průběhů zkoušek ve tvaru závislostí informací na zatížení působícím na diamantový hrot (mnohem

6 komplexnější hodnocení s vyloučením mnoha nepřesných faktorů) (obr.7) [3] až po hodnocení přibližující se praktickým informacím zkouškami opotřebení cyklickými vnikacími vrypovými zkouškami diamantovým hrotem se záznamem prostorových informací o vývoji snímaných signálů v závislosti na zatížení a na počtu prováděných cyklů (obr.9 a obr.10) [4]. Dále jsou rozpracovávány metodiky zpracovávání obrazových informací ve stádiu zkoušek adhezivně kohezivního chování sledovaných systémů s postupným přechodem na hodnocení obrazových informací vývoje porušování v průběhu zkoušek opotřebení (obr.8). Obr. 6: Ukázka průběhu signálů AE a koeficientu tření a části vrypu Obr.7: Záznam z programu v prostředí Matlabu s průběhem dat a detail porušení

7 Obr.8: Ukázka z hodnocení plochy porušení podél a uvnitř vrypu obrazovou analýzou Obr.9: Příklad průběhu obrazových informací při cyklické vrypové zkoušce

8 Obr.10: Příklad průběhu signálů AE a koeficientu tření při cyklické vrypové zkoušce Obr. 11: Ukázka vrypové zkoušky na drsném povrchu na stopce nástroje Vnikací zkoušky na reálném povrchu Důležitým faktorem ovlivňujícím celkové možnosti zkoušek na praktických systémech je stav povrchu základního materiálu, který v ideálních experimentech je vyleštěný a tím je optimální povrch pro hodnocení vlastností a chování systémů s tenkými vrstvami. V případě, že povrch má vyšší drsnost pak přináší do hodnocení další vlivy. V případě měření statickými vnikacími zkouškami lze provádět zkoušky i na drsném povrchu v celém rozsahu zatížení v rámci grafu závislosti míry informace na zatížení od hodnocení tenkých vrstev při malých zatížení s přesností nastavení polohy měření jeden mikrometr až po hodnoty velkých zatížení pro sledování adhezivně kohezivního chování sledovaných systémů s tenkými vrstvami. V případě složitých tvarů lze též podle tvaru většinou aplikovat statické vnikací zkoušky pro hodnocení. V případě zkoušek dynamických již nelze provádět experimenty na složitých tvarech, ale pouze na referenčních vzorečkách či na tvarech s rovnou plochou s omezenou drsností, která je v současné době též předmětem studia. Referenční měření jsou prováděna u stopkových nástrojů např. na stopce nástroje, kde měření lze mnohdy realizovat (obr.11) [10]. Adhezivně kohezivní chování v případě nepoužitelnosti vrypové zkoušky je hodnoceno statickými vnikacími zkouškami a srovnávány s referenčními vzorky. Vyšší přesnost hodnocení systémů s tenkými vrstvami Na základě výše uvedených hodnocení, která se uváděnými metodami zpřesňovala, se očekává větší reprodukovatelnost výsledků hodnocení. Již metody nezávisí na subjektivním pohledu jednotlivých osob, které hodnocení provádějí. Hodnocení se mění na postupy počítačového zpracování a tím nezávislejší na lidském subjektu. Hodnocení je tím i doplńováno hodnocením, které není dáno tolika náhodnými jevy jako v předchozích případech studia materiálu a informace o sledovaných systémech jsou mnohem komplexnější.

9 Hodnocení ze strany praxe Toto je směr vedoucí z pohledu výzkumné činnosti v oblasti deposice tenkých vrstev a hodnocení vlastností a chování sledovaných systémů směrem k aplikačním zkouškám přibližujících praktické podmínky. Druhá cesta vedená ve výzkumu chování sledovaných systémů s tenkými vrstvami je z praktického pohledu a to nanesení tenké vrstvy a sledování výdržnosti v praktických podmínkách a zkoušky na strojích přímo pro tyto zkoušky určených např. třecí stroje. Z hlediska však klasického hodnocení výsledků zkoušek je nutno tato hodnocení doplňovat a rozšiřovat zvolené metodiky ve směru možnosti posuzování příčin vzniku porušování a rozdílů v životnosti součástí na základě použitých technologií deposice tenkých vrstev. Hodnocení prováděná jen na základě např. Váhových úbytků a změny drsnosti povrchu vzorků v případě hodnocení systémů s tenkými vrstvami říká pouze informaci zda se přináší nárůst životnosti či zlepšené chování systémů s tenkými vrstvami. V případě porušování však není možné mnohdy usuzovat na příčiny porušování a nebo naopak čím je vlastně povrchová úprava přínosná. Tato hodnocení se budou v dalších experimentech metodicky dále rozvíjet a přibližovat naopak z druhé strany k základnímu pochopení chování sledovaných systémů. Kombinované namáhání v praxi Již bylo naznačeno v předchozích pracech, že pro studium chování systémů v praktických podmínkách je nutno přesněji přibližovat podmínky. V případě přesného zaměření aplikací tenkých vrstev do oblasti zvyšování životnosti nástrojů a součástí při mechanickém namáhání se často naráží na problém, že přestože systémy laboratorně vykazují dobré chování tak v praxi mohou selhávat. Je to dáno tím, že v praxi nejsou ideální podmínky a kromě působení mechanického namáhání zde vystupuje namáhání další jak např. Koroze a tepelné namáhání [14]. Vlivem působení koroze a teploty může docházet ke změnám mechanických vlastností a chování systémů tenká vrstva substrát a původní vlastnosti se ztrácejí. Z tohoto důvodu je přistupováno k hodnocení tak, že se studují praktické podmínky a realizují se již částečné podmínky přibližující více praxi a nebo se postupně sledují chování v různých prostředí a při různém působení s následným sledováním změn probíhajících ve sledovaných systémech. Mohou to být však různá korozní prostředí od standardního v solné mlze [11] přes vodné roztoky, fyziologické roztoky [12], chladících kapalin, prostředí kyselin a pod. A tím i prostředí různých aplikačních směrů jako je obrábění, zdravotnictví, prostředí turbín, armatur, chemická prostředí a pod. Některá hodnocení již byla prováděna v prvních experimentech a jsou rozvíjena dále jako např. Koroze v solné mlze, ve fyziologických roztocích [12], v kyselinách, v prostředí turbín a v prostředí roztavených agresivních plastů [13]. Hodnocení v různých prostředích a změny vlastností jsou prováděny podle schématu, kde je hodnocen nejdříve původní stav základního materiálu a systému s tenkou vrstvou a vždy po určitých časových intervalech působení agresivního media se povrch hodnotí opakovaně v průběhu změn. Hodnotí se jak obrazové informace ve stejném místě povrchu tak změny mechanických vlastností a chování systémů tenká vrstva substrát. Závěr Hodnocení vlastností a chování systémů tenká vrstva substrát ve srovnání se základním materiálem uvedené v článku přináší mnohem více informací o vlastnostech a hlavně o chování sledovaných systémů při vnikacích zkouškách a jsou realizovány cyklickými

10 vnikacími zkouškami zkoušky opotřebení a lokálního únavového namáhání jak základního materiálu tak systémů s tenkými vrstvami. Uvedené hodnocení je přesnější a více osvobozené od subjektivního hodnocení a lépe odpovídá pro předpovězení chování v praxi a optimalizaci deposičního procesu pro praktická uplatnění sledovaných systémů. Kromě vytváření tenkých vrstev a metodik hodnocení se sledují i podmínky praktického prostředí, ve kterém se systémy s tenkými vrstvami pohybují. Ukazuje se, že je potřeba hodnocení rozvinout do oblasti kombinovaného namáhání současným působením např. Mechanického a korozního namáhání a tepelného namáhání. V tomto směru již byly realizovány experimenty a jsou dále rozvíjeny. Příspěvek je prezentován v rámci řešení projektu 250 Modelování heterogenních funkčně strukturovaných materiálů a komplexního grantu GA ČR č. 106/97/S008 Surface Engineering Literatura 1.O.Bláhová, I.Štěpánek, Š.Šimůnková, B.Vávrová, Analýzy mechanických vlastností tenkých vrstev nanoindentorem, mezinárodní symposium INOVACE 97 Praha, s I.Štěpánek, O.Bláhová, Š.Šimůnková, Metodiky hodnocení vlastností a chování otěruvzdorných tenkých vrstev, sborník mezinárodní konference METAL 98 Ostrava I.Štěpánek, O. Bláhová, Š. Šimůnková, J. Brůnová, Method for analysis properties and behaviour of thin hard films, mezinárodní konference ICSFS 98 Copenhagen J.Brůnová, I.Štěpánek, Analysis wear resistant of thin films by scratch tester, mezinárodní konference Junior-Euromat 98 Lausanne 5. I. Štěpánek, O. Bláhová, Š. Šimůnková, J. Brůnová, Metodiky hodnocení vlastností tvrdých otěruvzdorných tenkých vrstev, konference TRANSFER 98 Praha 6. I.Štěpánek, Komplexní hodnocení vlastností systémů vrstva substrát s přiblížením pro praktické využití, mezinárodní konference Technology 99 Bratislava I.Štěpánek, Chování systému tenká vrstva substrát při kombinovaném namáhání, sborník konference AKI 99 Rožnov pod Radhoštěm P.Novák, O.Bláhová, I.Štěpánek, Vnikací zkoušky s rozdílným zatížením při hodnocení systémů tenká vrstva- substrát, sborník konference Transfer 99 Brno I.Štěpánek,B.Vávrová,Komplexní metodika nanoindentačních měření v mikrolokalitách a cyklické indentační měření, mezinárodní konference Metal 99 Ostrava A.Kříž, I.Štěpánek, O.Bláhová, B.Kesl, Vliv tenkých vrstev TiN, ZrN a TiAlVN na zvýšení trvanlivosti ostří fréz, mezinárodní konference JUNIORMAT 97 Brno 1997, s K.Bergl, I.Štěpánek, V.Motyčka, Korozní degradace materiálů s tenkou vrstvou, sborník mezinárodní konference METAL 98 Ostrava J.Hána, I.Štěpánek, Chování systémů tenká vrstva- substrát v biologickém prostředí, sborník mezinárodní konference Metal 99 Ostrava P.Hampl, I.Štěpánek, Chování systému tenká vrstva- substrát v agresivním prostředí roztavených polymerů, sborník konference Transfer 99 Brno Z.Bartůšková, I.Štěpánek, Tepelné namáhání systému s tenkými vrstvami a tvorba oxidických vrstev, sborník konference AKI 99 Rožnov pod Radhoštěm 1999