Naprężenia wewnętrzne
Naprężenia wewnętrzne (szczątkowe) to naprężenia mechaniczne występujące w materiale nawet bez obciążenia zewnętrznego. Warstwy PVD charakteryzują się naprężeniami ściskającymi wynoszącymi około 2 GPa, co może znacznie zwiększyć wytrzymałość materiału i jego odporność na zmęczenie przy cyklicznym obciążeniu.
Powłoki PVD: TripleCoating SI, MARWIN SI
Naprężenia wewnętrzne, znane również jako naprężenia szczątkowe, to naprężenia mechaniczne, które pozostają w materiale nawet przy braku sił zewnętrznych lub obciążeń. Naprężenia te mogą być generowane przez różne procesy, takie jak odkształcenie plastyczne, obróbka cieplna, zmiany chemiczne lub fazowe, osadzanie cienkich warstw lub spawanie. W cienkich warstwach PVD naprężenia ściskające osiągają wartości około 2 GPa. Eksperymentalnie możliwe jest jednak przygotowanie warstw bez naprężeń lub z naprężeniami 7-9 GPa. Takie wysokie naprężenia szczątkowe mogą znacząco wpływać na właściwości mechaniczne podłoża, w szczególności na jego charakterystykę wytrzymałościową i odporność na procesy zmęczeniowe przy cyklicznym obciążeniu. Obecność wewnętrznych naprężeń ściskających może prowadzić do zwiększenia limitów zmęczeniowych, a tym samym wydłużyć żywotność komponentów narażonych na okresowe naprężenia mechaniczne.
Źródłem naprężeń szczątkowych w warstwach PVD są głównie odkształcenia sieci krystalicznych występujące w nierównowagowych warunkach osadzania oraz, dla wyższych temperatur osadzania, różne współczynniki rozszerzalności cieplnej warstw i materiałów podłoża.
Pomiary
Typowym sposobem pomiaru naprężeń szczątkowych w warstwach PVD jest zastosowanie dyfrakcji rentgenowskiej w konfiguracji Bragg-Brentano GAXRD (glancing angle XRD). Na podstawie uzyskanych profili dyfrakcyjnych określa się wielkość parametrów sieci, a porównując je z wartościami teoretycznych beznaprężeniowych parametrów sieci, oblicza się charakter i wartość naprężeń szczątkowych. Metoda ta jest instrumentalnie dość wymagająca. Światowym ekspertem w branży jest prof. David Rafaja z TU Freiberg.
Przykładowe profile dyfrakcyjne różnych wariantów warstwy TiAlN przedstawiono na rysunku 1 zaczerpniętym z artykułu prof. Rafaji.
Mniej wyrafinowanym i operacyjnie bardzo prostym pomiarem makronaprężeń jest określenie odkształcenia cienkich jednostronnie powlekanych pasków. Naprężenie szczątkowe jest kompensowane przez jego ugięcie. Rys. 2 przedstawia przykładowy pomiar.
Wartości
- podstechiometryczne CrNx, WCx 0-1 GPa
- standardowe warstwy PVD TiN, CrN, AlTiN, AlCrN 1-2 GPa
- TiCN, TiSiN, TiB2 2-3 GPa
- ta-C > 4GPa
- warstwy eksperymentalne 7-9 GPa
Referencje
- jeden ze wspaniałych artykułów autorstwa zespołu 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.
Zastosowania
Technicznie interesującym zastosowaniem jest powlekanie elementów konstrukcyjnych drukowanych w technologii 3D, w celu poprawy ich wytrzymałości zmęczeniowej. Powłoka PVD tworzy barierę powierzchniową zapobiegającą powstawaniu i rozprzestrzenianiu się pęknięć zmęczeniowych związanych z niejednorodną strukturą druku 3D.
