Оцінка стійкості до корозії та ерозії багатошарових покриттів TiN/AlTiN

Вілліан Аперадор 1,2 *, Цезар Амая 3, Хорхе Баутіста Руїс 4

1: Департамент мехатроніки, Військовий університет ім. Нуева Гранади, Каррера 11 No 101-80, факс: +57 (1) 6343200, Богота, Колумбія.

2: Колумбійська інженерна школа ? Хуліо Гаравіто, AK.45 No205-59 (Autopista Norte), +57 (1) 668 3622, Богота, Колумбія.

3: Дослідницька група з розробки матеріалів та виробів CDT ASTIN SENA, Калі-Колумбія.

4: Кафедра фізики, Університет Франциско де Пола Сантандер. Авеніда Гран Колумбія No 12Е ? 96. Б Колсаг. Будівля лабораторії. Сан-Хосе де Кукута. На північ від Сантандера. Колумбія

Ключові слова: Нітрид алюмінію титану, динамічна корозія, ерозійна корозія, ерозія, скануюча електронна мікроскопія.

Оцінка стійкості до ерозійної корозії багатошарової TiN/AlTiN

Тонкі плівки осаджувались у багатошаровому TiN/AlTiN з періодами 2, 6, 12 та 24 двошарових шарів на сталевих підкладках AISI 1045, за допомогою системи радіочастотного магнетронного розпилення на мішені Ti та Al (99,99%) в атмосфері Ar/N2. Багатошарові випробовували на корозію, ерозію та корозійну ерозію під кутом 90 ° та 0,5 М розчином NaCl та діоксидом кремнію, аналізуючи вплив кількості двошарових шарів на корозійну стійкість цих покриттів. Електрохімічну характеристику проводили за поляризаційними кривими Тафеля та мікроструктурою за допомогою скануючої електронної мікроскопії. Дослідження показало зниження швидкості корозії на підкладці, вона зменшилася з 2291,05 мпи до 351,24 мпі на 2 двошарових та 15,01 мпи на 24 двошарових. Ці результати підтверджують хорошу дію двошарових шарів в стійкості до корозії. За результатами скануючої електронної мікроскопії можна підтвердити захисну дію покриттів на підкладку, а також збільшення кількості двошарових шарів.

Ключові слова: нітрид титану алюмінію, динаміка корозії, ерозійна корозія, ерозія, скануюча електронна мікроскопія.

Надійшла: 21.06.2011; Переглянуто: 12.07.2011 Прийнято: 23.08.2011; Опубліковано: 09.09.2011

1. ВСТУП

Корозійна ерозія - це прискорення швидкості корозії металу внаслідок відносного переміщення корозійної рідини по поверхні металу [1], якщо рідина також містить вміст твердих частинок у суспензії, ерозійний ефект має тенденцію до збільшення. що спричиняє погіршення стану металу.

Тверді покриття стали вирішенням таких проблем, як корозія та знос. Техніка фізичного осадження паром (PVD) є одним із найбільш часто використовуваних процесів отримання твердих покриттів, що включає будь-який процес росту плівки у вакуумному середовищі, що включає осадження атомів або молекул на підкладці [2], що складається фізичного випаровування матеріалу, який утворює покриття, і подальшої його конденсації на підкладці, цей процес має можливість застосовувати одночасно на вузлах або деталях.

Метою даної роботи було вивчення електрохімічної природи багатошарових покриттів на основі [TiN/AlTiN] n, з метою аналізу їх хімічної реакції в агресивних середовищах, явища ерозії та корозійно-ерозійного синергізму. Це дослідження дозволить зібрати достатньо інформації про покриття TiN/AlTiN, щоб визначити вплив кількості двошарів на вищезгадану поведінку.

2. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА ЧАСТИНА

[TiN/AlTiN] n багатошарові наносили на сталеві підкладки AISI 1045 (діаметр 2 см; товщина 4 мм) і Si (орієнтація 100; сторона 1,7 см; товщина 280 мкм), які очищали ультразвуком протягом 15 хвилин у ванні з етанолом та ацетоном. Покриття були отримані з використанням багатоцільової техніки магнетронного розпилення при частоті діапазону частот (13,56 МГц) на пілотній установці CDT ASTIN, регіональна долина SENA (Колумбія). Для осадження покриттів використовували мішені діаметром 4 дюйми Ti і Al з чистотою 99,9%.

Базовий тиск у вакуумній камері становив 7,0x10 -6 мбар. Перед початком осадження підкладки піддавали плазмовому очищенню протягом 20 хвилин в атмосфері Ar при зміщенні -400 В в діапазоні частот. Під час росту робочі гази являли собою суміш Ar (93%) та N2 (7%) із загальним робочим тиском 6x10 -3 мбар при температурі основи 300 ° C та зміщенні RF-зміщення -70V та потужності 350 Вт. Для осадження багатошарових шарів алюмінієва мішень періодично покривалась пробкою, тоді як підкладка утримувалась під круглим обертанням перед мішенями, щоб полегшити формування покриттів. Діаграма багатоцільової системи магнетронного розпилення, використана при розробці дослідження, представлена ​​на малюнку 1.

покриттів

Для вивчення впливу синергії між динамічною корозією, ерозією та ерозійною корозією (рисунок 2) багатошарових покриттів системи [TiN/AlTiN] n осаджувались з періодами 2, 6, 12 та 24 двошарів, що контролювали затвор час відкриття та закриття. Товщину покриттів отримували за допомогою профілометра DEKTAK 8000 з діаметром наконечника 12 ± 0,04 мкм при довжині сканування від 1000 мкм ? 1200 мкм. Для зразка з 2-х двошарів товщина становила 1,72 ± 0,04 мкм, а оскільки покриття отримували за однакових параметрів росту та загального часу нанесення (3 години), можна стверджувати, що багатошарові системи мають товщину навколо цього значення.

Щодо оцінки стійкості до корозії та ерозії було використано обладнання з поворотним циліндром, яке складається із скляної ємності, в якій міститься розчин, акрилової кришки, в якій електрод порівняння (Ag/AgCl), зустрічного електрода (графіту ) і тримач зразка з площею експозиції зразка 1 см 2. Цей тримач для зразків був розміщений під кутом удару рідини 90 °. Крім того, обладнання складається з робочого колеса HUMWPE (поліетилену з надвисокою молекулярною вагою), пристосованого до вала двигуна, який генерує рух розчину та вплив на зразок (рис. 3) [9]. Швидкість обертання становила 2780 об/хв, забезпечуючи максимальну лінійну швидкість частинки 16 м с -1 .

3. РЕЗУЛЬТАТИ ТА ОБГОВОРЕННЯ

3.1 Динамічна корозія

Зменшення густини корозійної корозії у багатошарових покриттях [TiN/AlTiN] n можна пояснити ступенем пористості, присутньої в плівках, що дозволяє припустити, що пористість зменшується із збільшенням кількості двошарів, можна створювати пористість у двошарах в покритті явищами зародження під час росту шарів, створюючи шляхи з меншим опором для проходження іона Cl [16-20].

Зміщення кривих Тафеля в бік позитивних потенціалів із збільшенням кількості нанесених шарів полягає в природі багатошарових структур, оскільки із збільшенням числа двошарів збільшується кількість меж розділів між моношарами TiN та AlTiN. Оскільки інтерфейси є областями, де відбуваються структурні порушення, вони породжують зміну кристалографічної орієнтації, вони діють як точки дисперсії, перешкоджаючи міграції іона Cl з поверхні до металевої підкладки та затримуючи початок корозійних процесів [4]. Це означає, що енергія, необхідна іонам розчину, щоб вільно мігрувати з поверхні на межу плівки/підкладки, більша із збільшенням кількості двошарів, така поведінка відображається на зменшенні щільності корозійного струму. швидкість корозії (таблиця 1) [6].

3.3 Корозійна ерозія

Порівнюючи поведінку різних багатошарів [TiN/AlTiN] n, виявлено, що для досліджуваних матеріалів потенціали корозії, оскільки щільності корозії дуже схожі між собою для двошарів 2, 6 та 12. Крім того, можна спостерігати явище генералізованої корозії, головним чином, наявність плато щільності струму та зони модифікації кривих внаслідок втрати пасивності та утворення локалізованої корозії, причому остання в кожному випадку різна, оскільки кінетика реакції залежить від кількість двошарів, що швидше для двошару 2, за яким слідують двошари 6, 12 і 24, у порядку зменшення.

Дані, зафіксовані в таблиці 2, фактично вказують на більш низькі електрохімічні показники порівняно з динамічною корозією (рисунок 4 і таблиця 1), порівняно з ерозійною корозією, що свідчить про відносно прийнятне зниження потенціалу та щільності корозії для багатошарових шарів із 2 двошаровими шарами і навіть трохи кращих ніж двошари 6, 12 і 24.

Загалом, дані (таблиця 1) показують хорошу поведінку всіх аналізованих покриттів у порівнянні з базовим матеріалом, коли вони зазнають корозійних явищ. Однак при дії корозійно-ерозійного потоку (таблиця 2) пасивна плівка, яка зазвичай утворюється на поверхні, усувається і видаляється під дією твердих частинок, що призводить до втрати антикорозійного захисту. Корозія, зі свого боку, зменшує опір цих покриттів на поверхні та сприяє збільшенню швидкості корозії порівняно з динамічною корозією (рисунок 4).

3.4 Скануюча електронна мікроскопія.

На малюнку 7 показано мікрофотографію поперечного перерізу багатошарового шару TiN/AlTiN n = 6 (нм = 500 нм). Більш темний контраст шарів AlTiN до TiN дозволяє чітко визначити шарувату структуру. Ці покриття TiN/AlTiN мали чітко визначену і рівномірну періодичність, значення товщини, виміряне за допомогою мікрофотографії SEM, подібне до проектного значення. Єдиним відхиленням була відносна нанометрична товщина, ці відхилення важко оцінити через низьку роздільну здатність інтерфейсів TiN/AlTiN, отриманих цією методикою.

Мікрофотографії на малюнку 8 показують результати корозійної атаки. Ці мікрофотографії беруть на поверхню підкладки та багатошару з двошаровими шарами 2,6,12 і 24 після процесу ерозійної корозії під кутом удару 90 °. На малюнку 8a показана ділянка основи, яка погіршилася внаслідок ефекту динамічної корозії. На малюнку 8b, c, d та e показано, як покриття зазнало механізмів зношування при тріщинах, можна виділити різні області.: 1) він показує процес деградації внаслідок загальної корозії, показаної на кривих поляризації. Також спостерігаються сірі ділянки, де захисний ефект породив захисні механізми, що утворюють зони з низьким рівнем розтріскування. Ці ділянки показують поверхню без руйнування, захист якої був забезпечений багатошаровими шарами; локалізовані вогнища корозії спостерігаються на поверхні покриття 24 бішарів, що може бути пов'язано з реакцією, що генерується на кривих анодної поляризації, де при -117 мВ проти Ag/AgCl, відбувається атака піттингу.

4. ВИСНОВКИ

Криві поляризації Тафеля, отримані в ході динамічних випробувань на корозію та ерозію, свідчать про хороші характеристики багатошарів завдяки збільшенню та зміщенню в бік позитивних потенціалів у міру збільшення двошарів. Крім того, спостерігається, як покращується поведінка проти корозійної ерозії за допомогою багатошарових покриттів, про що свідчить зміщення кривих у бік нижчих значень щільності струму відносно основи, таким же чином ця поведінка покращується із збільшенням періоду двошарів. Всі поляризаційні криві Тафеля вказують на загальне розчинення та подальшу локалізовану корозію, така поведінка зумовлена ​​агресивним ефектом, що виникає внаслідок корозії та додавання ерозії разом, рекомендується обробляти покриття системою катодного захисту з метою вирівнювання корозії типу не впливає на покриття в агресивних умовах.

Поведінка багатошарових шарів в умовах ерозії та кута удару 90 ° показує, що покриття генерує значне зменшення втрат матеріалу за цих обставин, коли вони наносяться на сталь 1045, втрата маси для цього типу покриттів менша, особливо для багатошаровий з n = 24. Ерозивний ефект на багатошари дозволив встановити хороші механічні властивості, генеруючи поглинання та розподіл енергії удару, тобто із збільшенням кількості двошарів втрата маси зменшується.

У механізмі синергії корозійної ерозії було засвідчено одночасність процесів: механічне видалення матеріалу (підкладка та багатошаровість) через ерозію та електрохімічний процес корозії.

За допомогою методики SEM спостерігали захисний ефект багатошарів. Механізми зношування спостерігаються в зразках з покриттям через тріщини, які зазнали ерозійний ефект, і деякі ділянки генералізованої корозії через ефект корозії.

5. ПОДЯКИ

Автори цього дослідження висловлюють подяку Адміністративному департаменту науки, технологій та інновацій, Colciencias, за підтримку в проведенні цього дослідження.

6. ЛІТЕРАТУРА

1. Fang Y, Pang X, Zhang G. Наука про корозію. 2008; 50 (10): 2796 ? 2803. [Посилання]

2. Munz W, Donohue L, Hovsepian P. Surf. Пальто. Технол. 2000; 125 (1-3): 269 ? 277. [Посилання]

3. Колючка Дж. Л., Фокс-Рабінович Дж. Л. та Gey C. Технологія поверхні та покриттів. 2006; 200 (24): 6840-6845. [Посилання]

4. Soutoa R.M. та Аланіяліб Х. Наука про корозію. 2000; 42 (12): 2201-2211. [Посилання]

5. Ding X-Z. Тонкі тверді плівки. 2008; 516 (16): 5716-5720. [Посилання]

6. Correa F, Caicedo J.C, Aperador W, Rincón C.A, Bejarano G. Rev. Fac. Ing. Univ. Antioquia. 2008; 46 (1): 7-14. [Посилання]

7. Рамалінгам С. та Чжен Л. Напруження на поверхні розділу плівка-підкладка та їх роль у трибологічних характеристиках поверхневих покриттів. Tribol Int. 1995; 28 (3): 145-161. [Посилання]

8. Caicedo J.C, Amaya C, Yate L, Zambrano G, Gómez M.E, Alvarado-Rivera J, Prieto P, Muñoz-Saldaña J. Appl. Серфінг. Sci.2010; 256 (20): 5898 ? 5904. [Посилання]

9. Паян Н, Аперадор З, і Варгас А. Sciencia et Technica. 2008; 38 (2): 177-180. [Посилання]

10. Стандартний еталонний метод випробувань ASTM G5 для проведення вимірів потенціостатичних та потенціодинамічних анодних поляризацій, Вест Коншохокен, Пенсильванія, Американське товариство випробувань та матеріалів, 2003 р. [Посилання]

11. Стандартний метод випробувань ASTM G59-04 для проведення вимірювань опору потенціодинамічної поляризації, Вест Коншохокен, Пенсильванія, Американське товариство випробувань та матеріалів, 2004. [Посилання]

12. ASTM 119 (93). Стандартний посібник для визначення синергізму між зносом та корозією. Вест-Коншохокен, Пенсільванія. Американське товариство випробувань та матеріалів, 2009. [Посилання]

13. Афрасіабі А, Саремі М, Кобаясі А. Матер. Наук, англ. А. 2008; 478 (20): 264 ? 269. [Посилання]

14. Стек М.М. та Абд Ель Бадія Т.М. Носіть. 2008; 264 (9 10): 826 837. [Посилання]

15. Бехарано Г., Кайседо Дж. К., Адам Г. та Готтшалк С. фіз. стат. Сонце. (c). 2007; 4 (10): 4260 ? 4266. [Посилання]

16. Tato W, Landolt D. J. Electrochem. Soc.1998; 145 (12): 4173-4181. [Посилання]

17. Морено Х, Кайседо Ж.К., Амая С, Кабрера Г., Яте Л, Аперадор Ш, Прієто П. Діамант та супутні матеріали. 2011 р .; 20 (4): 588-595. [Посилання]

18. Caicedo J.C., Amaya C., Cabrera G., Esteve J., Aperador W., Gómez M.E., Prieto P. Захист поверхні від корозії за допомогою багатошарової системи нітрид вуглецю титану/нітрид титану вуглецю. Тонкі тверді фільми 2011; 519 (19): 6362-6368. [Посилання]

19. Нієто Дж., Кайседо Дж., Амая С, Морено Х, Аперадор Ш, Тірадо Л, Бехарано Г. ДИНА. 2010 р .; 77 (162): 161-168. [Посилання]

20. Морено Л.Х., Кайседо Ж.К., Мартінес Ф., Бехарано Г., Баттейл Т.С., Пріето П.ДЖБСМЕ. 2010 р .; 32 (2): 114-118. [Посилання]