Vnitřní napětí
Vnitřní (zbytková) napětí jsou mechanická napětí přítomná v materiálu i bez vnějšího zatížení. PVD vrstvy se vyznačují tlakovými napětími kolem 2 GPa, což může výrazně zvyšovat pevnost materiálu a jeho odolnost vůči únavě při cyklickém zatěžování.
PVD povlaky: TripleCoating SI, MARWIN SI
Vnitřní napětí, známá též jako zbytková napětí, jsou mechanická napětí, která setrvávají uvnitř materiálu i v nepřítomnosti vnějších sil či zatížení. Tato napětí mohou být generována v důsledku různých procesů, jako jsou plastická deformace, tepelné zpracování, chemické nebo fázové změny, depozice tenkých vrstev či svařování. V tenkých PVD vrstvách tlaková napětí dosahují hodnot okolo 2 GPa. Experimentálně lze ale připravit vrstvy beznapěťové nebo s napětími 7-9 GPa. Takto vysoká zbytková napětí mohou zásadně ovlivňovat mechanické vlastnosti substrátu, zejména jeho pevnostní charakteristiky a odolnost proti únavovým procesům při cyklickém zatěžování. Přítomnost vnitřních tlakových napětí může vést ke zvýšení mezí únavy a tím prodloužit životnost komponent vystavených periodickému mechanickému namáhání.
Původem zbytkových napětí PVD vrstev jsou dominantně deformace krystalových mřížek vznikající za nerovnovážných podmínek depozice a pro vyšší depoziční teploty pak rozdílné koeficienty teplotní roztažnosti vrstev a podkladových materiálů.
Měření
Typickým způsobem měření zbytkových napětí PVD vrstev je užití rentgenové difrakce v Bragg-Brentano konfiguraci GAXRD (glancing angle XRD). Ze získaných difrakčních profilů je stanovena velikost mřížových parametrů a jejich porovnáním s hodnotami teoretických beznapěťových mřížových parametrů se dopočítává charakter a hodnota zbytkových napětí. Metoda je instrumentálně poměrně náročná. Světovou kapacitou v oboru je prof. David Rafaja z TU Freiberg.
Příklad difrakčních profilů různých variant vrstvy TiAlN je na obr.1 převzatém z článku prof.Rafaji.
Méně sofistikovaným a provozně velmi nenáročným měřením makronapětí je stanovení deformace tenkých jednostranně napovlakovaných pásků. Zbytkové napětí je kompenzováno jeho prohnutím. Na Obr.2 je příklad měření.
Hodnoty
- podstechiometrické CrNx, WCx 0-1 GPa
- běžné PVD vrstvy TiN, CrN, AlTiN, AlCrN 1-2 GPa
- TiCN, TiSiN, TiB2 2-3 GPa
- ta-C > 4GPa
- experimentální vrstvy 7-9 GPa
Reference
- jeden z nádherných článků týmu prof. Rafaji: Ch.Wustefeld, D,Rafaja, Effect of the aluminium content and the bias voltage on the microstructure formation in Ti1-xAlxN protective coatings grown by cathodic arc evaporation, Surface&Coatings Technology 205 (2010) 1345-1349.
Aplikace
Technicky zajímavou aplikací je povlakování 3D tištěných konstrukčních dílů za účelem zlepšení únavového chování. PVD povlak vytváří povrchovou bariéru proti vzniku a šíření únavových trhlin spojených s nehomogenní strukturou 3D tisku.
