Исследование твердости металлических нанопленок
Быков Ю.А., Карпухин С.Д., Бойченко М.К., Чепцов В.О.
(МГТУ им. Н.Э. Баумана, г. Москва, РФ)
The results of studying hardness of Ti, Cu, Nb and Al-Mg alloy nanofilms on base of Al and stainless steel.
В настоящее время известно большое количество работ по наноматериалам, в которых показано, что при их использовании можно получить в несколько раз более высокие значения механических свойств и износостойкости по сравнению с обычными материалами. В работе исследована твёрдость наноплёнок разной толщины с целью установления наличия эффекта повышения твёрдости тонких плёнок по сравнению с обычным материалом — наноэффекта.
Изучены различные по своему составу металлические композиции (пленка — подложка) с различной толщиной пленки от 50 нм до 1 мкм. В качестве подложек использовали алюминий и нержавеющую сталь 17Х18Н9. На них наносили плёнки Ti, Cu, Nb и сплава АМГ6. Пленки получали различными способами: дуговым осаждением, термическим испарением и ионным распылением. Данные эксперименты проводились с целью установления наличия наноэффекта. Измерение твёрдости плёнок проводили на микротвердомере "Shimadzu HMV-2000" методом продавливания плёнки, разработанным авторами.
Результаты экспериментов показали наличие наноэффекта, связанного с существенным повышением твердости (в 3…7 раз) тонких плёнок определённой толщины. Это явление носит общий характер как для различных материалов пленки, так и для разных методов их нанесения. В общем случае по мере роста толщины плёнки наблюдается рост твердости, достижение максимума и последующее ее падение до твердости материала пленки в массивном состоянии. Наноэффект проявляется даже тогда, когда материал подложки и покрытия одинаков. Так в композиции Al-Al твердость плёнки алюминия в 2,5 раза выше твердости алюминиевой подложки.
Максимальный прирост твердости зависит от состава композиции пленка-подложка. Так наибольший прирост обеспечивает твёрдая основа. Например, твёрдость пленки титана на алюминиевой подложке составляет 500 единиц по Виккерсу, а на нержавеющей стали – порядка 1400 единиц.
На всех композициях максимальная твёрдость наблюдалась при толщине плёнки 50…150 нм в зависимости от материала подложки и покрытия.