NANOTECHNOLOGIE W INŻYNIERII POWIERZCHNI Jan Walkowicz

1. Politechnika Koszalińska Instytut Mechatroniki, Nanotechnologiii Techniki Próżniowej NANOTECHNOLOGIE W INŻYNIERII POWIERZCHNI Jan Walkowicz Seminarium projektu nr POIG.01.03.01-00-052/08: „Hybrydowe technologie modyfikacji powierzchni narzędzi do obróbki drewna” Koszalin, 06.08.2009

2. Plan referatu Wprowadzenie. Powłoki tribologiczne i powłoki z barierą cieplną: • konwencjonalne, • nanostrukturalne. Próżniowo-plazmowe technologie osadzania powłok nanostrukturalnych: • rozpylanie magnetronowe, • odparowanie łukowe, • odparowanie wiązką elektronową. Przykłady powłok nanostrukturalnych: • supersieci, nanolaminaty, • nanokomozyty, • nanostrukturalne bariery cieplne. Wnioski.

3. Wprowadzenie „Nanotechnologia to projektowanie i wytwarzanie struktur, w których przynajmniej jeden rozmiar jest poniżej 100 nmi które posiadają nowe własności wynikające z nanorozmiaru”[1] Właściwości Elementy struktury • twardość • właściwości sprężysto-plastyczne • odporność na zużycie • odporność na korozję • ziarna • wydzielenia • wbudowane cząstki • podpowłoki • pory < 100 nm [1]Nanonauka i Nanotechnologia – Narodowa Strategia dla Polski , Interdyscyplinarny Zespół do spraw Nanonauki i Nanotechnologii, Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego, Warszawa 2006.

4. Wprowadzenie Wymiary charakterystyczne w ciałach stałych[2] [2]M. J. Pitkethly, Nanomaterials – the driving force, Materials Today, 12, (2003).

5. Wprowadzenie „Inżynieria powierzchni całokształt działań naukowych i technicznych, mających na celu konstruowanie, wytwarzanie, badanie i stosowanie warstw powierzchniowych o innych, lepszych niż rdzeń (podłoże) właściwościach głównie antykorozyjnych, antyzmęczeniowych, antyściernych i dekoracyjnych”[3] Powłoki osadzane przy niskiej temperaturze podłoża (np. PAPVD, PACVD) Powłoki osadzane przy wysokiej temperaturze podłoża (np. natryskiwanie cieplne) Powłoki konwersyjne (np. mieszanie jonowe, ablacja laserowa) Warstwy dyfuzyjne (np. azotowanie, implantacja jonowa, implantacja zanurzeniowa) Warstwy typu „duplex” (np. azotowanie połączone z osadzaniem powłok PAPVD lub PACVD) [3] Tadeusz Burakowski, Tadeusz Wierzchoń, Inżynieria powierzchni metali, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1995.

6. Powłoki tribologiczne Konwencjonalne • określona charakterystyka tarciowa (wysoki lub niski współczynnik tarcia), • wysoka odporność na zużycie ścierne (wysoka odporność korozyjna). S. Hogmark et al.[4] [4]StureHogmark, Staffan Jacobson, Mats Larsson, Design and evaluation of tribological coatings, Wear 246 (2000) 20–33.

7. Powłoki tribologiczne Wielowarstwowe – supersieci • powłoki wielowarstwowe o grubości podpowłok 5-25 nm • podwyższona twardość i wiązkość, • podwyższona odporność na zużycie ścierne i korozję. S. Hogmark et al.[4] HSS/TiN/TaN [4]StureHogmark, Staffan Jacobson, Mats Larsson, Design and evaluation of tribological coatings, Wear 246 (2000) 20–33.

8. Powłoki tribologiczne Wieloskładnikowe (kompozytowe) • powłoki zbudowane z dwóch lub więcej elementów w formie ziaren, cząstek, włókien S. Hogmark et al.[4] [4]StureHogmark, Staffan Jacobson, Mats Larsson, Design and evaluation of tribological coatings, Wear 246 (2000) 20–33.

9. Powłoki tribologiczne Wieloskładnikowe (kompozytowe) • powłoki zbudowane z dwóch lub więcej elementów w formie ziaren, cząstek, włókien A. A. Voevodin, J.S. Zabinski[5] [5] A.A. Voevodin, J.S. Zabinski, Supertough wear-resistant coatings with `chameleon' surface adaptation, Thin Solid Films 370 (2000) 223–231.

10. Powłoki tribologiczne Nanokompozytowe • o wysokiej twardości i dużej odporności na obciążenia dynamiczne (wiązkości), • o charakterystykach tarciowych adaptujących się do zmiennych warunków eksploatacji (temperatury, wilgotności). A. A. Voevodin, J.S. Zabinski[5] [5]A.A. Voevodin, J.S. Zabinski, Supertough wear-resistant coatings with `chameleon' surface adaptation, Thin Solid Films 370 (2000) 223–231.

11. Powłoki tribologiczne Nanokompozytowe • o wysokiej twardości i dużej odporności na obciążenia dynamiczne (wiązkości), • o charakterystykach tarciowych adaptujących się do zmiennych warunków eksploatacji (temperatury, wilgotności). J. Patscheider[6] [6]J. Patscheider, NanocompositeHardCoatings for WearProtection, MRS Bulletin, 28 (2003) 173.

12. Powłoki z barierą cieplną Konwencjonalne • stopowa warstwa wiążąca (MeCrAlY, NiAl-Hf, NiAl-Pt), • warstwa tlenku aluminium (warstwa zgorzeliny), • ceramiczna bariera cieplna (YSZ; YSZ-La2O3, Gd2O5, Nd2O3). D.E. Wolfe et al. [7] [7] Douglas E. Wolfe, JogenderSingh, Robert A. Miller, Jeff I. Eldridge, Dong-MingZhu, Tailored microstructure of EB-PVD 8YSZ thermal barrier coatingswith low thermal conductivity and high thermal reflectivity for turbineapplications, Surface & Coatings Technology 190 (2005) 132– 149.

13. Powłoki z barierą cieplną Nanostrukturalne • nanokompozytowe warstwy BC, nanokrystaliczne warstwy YSZ, • nanokompozytowe i quasikrystaliczne warstwy przejściowe BC/YSZ. B. Rapp[8] –nanokrystaliczna ceramika YSZ, ZrO2-(La2O3, Gd2O5, Nd2O3), – nanokompozytowe warstwy przejściowe Al2O3-YSZ – nanokompozyty NiCoCrAlY-Al2O3, – warstwy quasikrystaliczneAl-Cu-Fe – warstwy BC: MCrAlY, NiAl-Hf, NiAl-Pt; –nanokompozyty: BC-(TiAl, TiC, HfC, ZrC, TaC) [8]B. Rapp, Coatings improve efficiency, Materials Today9 (2006)6.

14. Osadzanie powłok nanostrukturalnych Próżniowo-plazmowe metody fizycznego osadzania z fazy gazowej (PAPVD) • faza stała  plazma (brak mikrocząstek), • niski stopień jonizacji Rozpylanie magnetronowe 10 ms Odparowanie łukowe • faza stała  faza ciekła  plazma (duża ilość mikrocząstek), • wysoki stopień jonizacji 21 μs • faza stała  faza ciekła  faza gazowa  plazma (mała ilość mikrocząstek), • konieczne układy jonizacji par, • bardzo duża szybkość osadzania Odparowanie wiązkąelektronową

15. Osadzanie powłok nanostrukturalnych Próżniowo-plazmowe metody fizycznego osadzania z fazy gazowej (PAPVD) 10 ms Odparowanie łukowe 10 μm 21 μs A. Anders, AVS 53rd International Symposium & Exhibition

16. Osadzanie powłok nanostrukturalnych Próżniowo-plazmowe metody fizycznego osadzania z fazy gazowej (PAPVD) A. Anders [9] Filtry (separatory) elektromagnetyczne 10 ms Odparowanie łukowe plazma 21 μs anoda mikrocząstki Filtry (separatory) elektrostatyczne ekran [9] A. Anders, Pulsed Metal Plasma, AVS 53rd International Symposium & Exhibition, November 12 -17, 2006, Moscone West Convention Center, San Francisco, CA.

17. Powłoki wielowarstwowe – supersieci, nanolaminaty Metoda hybrydowa: filtrowany łuk próżniowy – magnetron niezbalansowany K. Yamamoto [10] [10] K. Yamamoto, S. Kujime, K. Takahara, Properties of nano-multilayered hard coatings deposited by a newhybrid coating process: Combined cathodic arc and unbalanced magnetron sputtering, Surface & Coatings Technology 200 (2005) 435 – 439.

18. Powłoki wielowarstwowe – supersieci, nanolaminaty Rozpylanie magnetronowe – magnetron niezbalansowany M. Stueber[11] HV 13,5 GPa [11]M.Stueber, U.Albers, H.Leiste, S.Ulrich, H.Holleck, P.B.Barna, A.Kovacs, P.Hovsepian, I.Gee, Multifunctional nanolaminated PVD coatings in the system Ti–Al–N–C by combination of metastablefcc phases and nanocomposite microstructures, Surf. Coat.Technol. 200 (2005) 435439.

19. Powłoki wielowarstwowe – supersieci, nanolaminaty Rozpylanie magnetronowe – magnetron niezbalansowany M. Stueber[11] 1000C/4h [11]M.Stueber, U.Albers, H.Leiste, S.Ulrich, H.Holleck, P.B.Barna, A.Kovacs, P.Hovsepian, I.Gee, Multifunctional nanolaminated PVD coatings in the system Ti–Al–N–C by combination of metastablefcc phases and nanocomposite microstructures, Surf. Coat.Technol. 200 (2005) 435439.

20. Powłoki nanokompozytowe Metoda hybrydowa: filtrowany łuk próżniowy – magnetron niezbalansowany A. A. Voevodin, J.S. Zabinski[12] WC/DLC/WS2 [12] A.A. Voevodin, J.S. Zabinski, Nanocomposite and nanostructuredtribological materials for spaceapplications, Composites Science and Technology 65 (2005) 741–748.

21. Powłoki nanokompozytowe Metoda hybrydowa: filtrowany łuk próżniowy – magnetron niezbalansowany A. A. Voevodin, J.S. Zabinski[5] WS2 30%at. S 15%at. S WC/DLC/WS2 [5] A.A. Voevodin, J.S. Zabinski, Supertough wear-resistant coatings with `chameleon' surface adaptation, Thin Solid Films 370 (2000) 223–231.

22. Powłoki nanokompozytowe Metoda hybrydowa: filtrowany łuk próżniowy – magnetron niezbalansowany A. A. Voevodin, J.S. Zabinski[5] [5] A.A. Voevodin, J.S. Zabinski, Supertough wear-resistant coatings with `chameleon' surface adaptation, Thin Solid Films 370 (2000) 223–231.

23. Nanostrukturalne bariery cieplne Odparowanie wiązką elektronową J. Singh, D. E. Wolfe [13] „shutter” „in & out” 8YSZ [13] J. Singh,, D. E. Wolfe, Review: Nano and macro-structuredcomponentfabrication by electronbeam-physicalvapordeposition (EB-PVD), Journal of Materials Science 40 (2005) 1– 26.

24. Nanostrukturalne bariery cieplne Odparowanie wiązką elektronową J.R. Nicholls[14] 7YSZ [14] J.R. Nicholls, K.J. Lawson, A. Johnstone, D.S. Rickerby, Methods to reduce the thermal conductivity of EB-PVD TBCs, Surface and Coatings Technology 151 –152 (2002) 383–391.

25. Nanostrukturalne bariery cieplne Odparowanie wiązką elektronową J. Singh, D. E. Wolfe [13] 8YSZ/Al2O3 (400nm/75-100nm) [13] J. Singh,, D. E. Wolfe , Review: Nano and macro-structuredcomponentfabrication by electronbeam-physicalvapordeposition (EB-PVD), Journal of Materials Science 40 (2005) 1– 26.

26. Wnioski  Wykorzystanie powłokowych materiałów nanostrukturalnych umożliwia osiągnięcie mechanicznych i przeciwzużyciowych właściwości pokrywanych elementów nieosiągalnych przy zastosowaniu powłok konwencjonalnych  Próżniowo-plazmowe technologie PVD, zwłaszcza w procesach hybrydowych, umożliwiają praktyczne wykorzystanie szczególnych właściwości materiałów nanostrukturalnych Praca została wykonana w ramach Projektu Rozwojowego nr UDA-POIG.01.03.01-32-052/08-00: „ Hybrydowe technologie modyfikacji powierzchni narzędzi do obróbki drewna” realizowanego w Programie Operacyjnym Innowacyjna Gospodarka POIG 2007-2013.