Томские ученые разработали инновационную технологию создания сверхпрочных алмазных покрытий для режущего инструмента
Ученые Томского политехнического университета (ТПУ) разработали новую градиентную микроархитектуру алмазных покрытий. Она состоит из плавно чередующихся слоев микро- и наноразмерных кристаллитов. Результаты исследований показали, что такие покрытия с плавным микроструктурным переходом уменьшают риск образования локальных дефектов и разрушений покрытий режущего инструмента под нагрузкой. Новый подход в будущем позволит создавать более долговечные инструменты и механизмы для работы в жестких условиях эксплуатации.
Обработка высокоабразивных материалов, таких как армированные композиты, графиты различной плотности и алюмокремниевые сплавы, требует от режущего инструмента высокой твердости и износостойкости. Для этого инструмент покрывают алмазными пленками — они придают оборудованию высокую твердость, прочность и термостойкость. Однако, однослойные покрытия, как микро-, так и нанокристаллические, имеют ряд ограничений, снижающих их эксплуатационную надежность.
Ученые Томского политеха предложили новый метод осаждения алмазных покрытий с плавным градиентным переходом от микро- к нанокристаллической микроструктуре без явных границ слоев. Такая конфигурация покрытия снижает концентрацию внутренних напряжений и препятствует появлению крупных трещин, которые приводят к быстрому износу покрытий и, как следствие, поломке инструмента.
«Градиентная архитектура комбинирует преимущества разных структур в одном покрытии: твердость и сопротивление износу обеспечивается за счет микрокристаллической структуры (MCD), а гладкость и повышение трещиностойкости дает нанокристаллическая структура (NCD). Особый интерес здесь заключается именно в «стыках» между MCD и NCD. Мы провели исследование и выяснили, что плавность перехода влияют на адгезию к подложке, износостойкость и трение. В сравнении с другими покрытиями градиентная структура позволяет снизить риск образования локальных дефектов и разрушения покрытий режущего инструмента под нагрузкой», — объяснил один из авторов исследования, младший научный сотрудник научно-производственной лаборатории «Импульсно-пучковых, электроразрядных и плазменных технологий» ТПУ Александр Митулинский.
Покрытия с градиентной структурой ученые создавали методом химического осаждения из газовой фазы на кремниевых подложках и на шариках из карбида кремния. Градиент строился за счет медленного нарастания содержания метана в газовой смеси в течение восьми часов. Полученные покрытия тестировали на трение, износ и адгезию. Кроме того, новый подход к созданию покрытия политехники впервые сравнили с существующими конфигурациями покрытий — монолитными и двухслойными.
По оценкам авторов, предложенная структура показала наибольшую эффективность в сравнении с существующими конфигурациями. Она сочетает в себе низкую шероховатость, высокую износостойкость и высокую адгезионную прочность, а плавный микроструктурный переход между слоями снижает остаточные напряжения и препятствует распространению трещин в покрытии.
Исследование поддержано грантом Российского научного фонда.