Teplotní stabilita je klíčový parametr popisující schopnost materiálu udržet své mechanické, fyzikální a chemické vlastnosti při vystavení zvýšeným teplotám po určitou dobu. Tento parametr je kritický zejména v materiálovém inženýrství a aplikacích, kde je materiál vystaven tepelnému zatížení. Teplotní stabilitu lze rozdělit na dvě základní složky: strukturní teplotní stabilitu a chemickou teplotní stabilitu.
- Strukturní teplotní stabilita je schopnost materiálu zachovat svou mikrostrukturu při zvýšených teplotách, aniž by došlo k nežádoucím změnám, jako je růst zrn, změny ve fázovém složení nebo deformační procesy, které by mohly ovlivnit jeho mechanické vlastnosti. Strukturní stabilita je tedy úzce spojena s difúzními procesy a energetickými bariérami k přeměnám v mikrostruktuře.
- Chemická teplotní stabilita se týká schopnosti materiálu udržet své chemické složení a odolávat nežádoucím chemickým reakcím, jako je oxidace, nitridace, karburace nebo jiná forma degradace, které mohou nastat při zvýšených teplotách. Tato stabilita je důležitá pro materiály vystavené agresivnímu prostředí nebo korozivním podmínkám.
V kontextu PVD (Physical Vapor Deposition) vrstev, které se aplikují v náročných průmyslových podmínkách, je teplotní stabilita klíčovým faktorem určujícím jejich životnost a výkon. PVD vrstvy mohou, v závislosti na svém složení a typu depozice, vykazovat vynikající teplotní stabilitu, která se pohybuje v rozsahu od 300 °C až po více než 1000 °C. Tato stabilita je dosažena díky vysoce krystalickým nebo amorfním strukturám, které omezují difúzní procesy a chemické reakce.
Měření
Nejběžnější způsob hodnocení teplotní stability je měření tvrdosti za různých teplot žíhaných vzorků. Pokud se žíhání provádí ve vakuu nebo v ochranných atmosférách jedná se o strukturní „nechemickou“ stabilitu. Většina PVD vrstev přežije spolehlivě 400°C, ty nejlepší více než 1100°C. Z pohledu reálných aplikací je to trošku podraz, pokud nejsou provozovány právě v tom vakuu nebo spolehlivých neoxidačních atmosférách. Mnohem realističtější je žíhání na vzduchu, popř. v technickém vzduchu. Tedy s kyslíkem a vodní párou. Hodnoty jsou mnohdy výrazně nižší, ale optimalizované vrstvy opět přežijí teploty nad 1000°C. Kompaktní PVD vrstvy mohou poskytnout účinnou ochranu podkladovým materiálům.
Obr.1 – teplotní závislost tvrdosti a velikosti krystalitů vrstvy nc-TiAlN/a-Si3N4 při žíhání v dusíku (S.Veprek, Superhard and Functional Nanocomposites formed by Self-orginization in Comparison with Hardening oc Coatings by Energetic Ion Bombardment during their DepositionRev.Adv.Mater.Sci 5 (2003), 6-16)
Velmi zajímavým příkladem řízené teplotní – oxidační nestability je povlak CrVN. Obsah vanadu řídí rychlost oxidace vrstvy, která při vysokých teplotách pravděpodobně vytváří Magnéliho fáze. Tyto fáze jsou známy jako vysokoteplotní lubrikanty. Detaily byly publikovány v článku MM12/2015.
