Upload
others
View
35
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Universitatea Transilvania din Braşov
Şcoala Doctorală Interdisciplinară
Departament: ŞtiinŃa Materialelor
Ing. Alice-Ortansa MATEESCU
REZUMAT
TEZĂ DE DOCTORAT
CERCETĂRI PRIVIND REALIZAREA ŞI CARACTERIZAREA
STRATURILOR SUBłIRI (NANOMETRICE) CU APLICAłII ÎN
TEHNOLOGIA MATERIALELOR AVANSATE
RESEARCHES FOR ACHIEVEMENT AND CHARACTERIZATION OF
(NANOMETRIC) THIN FILMS WITH APPLICATIONS IN
ADVANCED MATERIALS TECHNOLOGY
Conducător ştiinŃific
Prof. univ. dr. ing. Cornel SAMOILĂ
BRAŞOV, 2015
MINISTERUL EDUCAłIEI ŞI CERCETĂRII ŞTIINłIFICE
UNIVERSITATEA “TRANSILVANIA” DIN BRAŞOV BRAŞOV, B-DUL EROILOR NR. 29, 500036, TEL. 0040-268-413000, FAX 0040-268-410525
RECTORAT
D-lui (D-nei) ..............................................................................................................
COMPONENłA Comisiei de doctorat
Numită prin ordinul Rectorului UniversităŃii „Transilvania” din Braşov Nr. 7540 din 02.10.2015
PREŞEDINTE: - Prof. univ. dr. ing. Teodor MACHEDON PISU
DECAN - Facultatea de ŞtiinŃa şi Ingineria Materialelor
Universitatea “Transilvania” din Braşov
CONDUCĂTOR ŞTIINłIFIC: - Prof. univ. dr. ing. Cornel SAMOILĂ
Universitatea “Transilvania” din Braşov
REFERENłI: - Prof. univ. dr. fiz. Ioan STAMATIN
Universitatea din Bucureşti
- Prof. univ. dr. ing. Victor GEANTĂ
Universitatea “Politehnica” din Bucureşti
- Prof. univ. dr. fiz. Doru URSUłIU
Universitatea “Transilvania” din Braşov
Data, ora şi locul susŃinerii publice a tezei de doctorat: Vineri – 06.11.2015,
ora 11.00, sala W.III.4.
Eventualele aprecieri sau observaŃii asupra conŃinutului lucrării vă rugăm să
le transmiteŃi în timp util, pe adresa [email protected].
Totodată vă invităm să luaŃi parte la şedinŃa publică de susŃinere a tezei de
doctorat.
Vă mulŃumim.
Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)
cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
1 Cuprins
CUPRINS
Pagina Teză Rezumat
Cuprins …………………………………………………………………………..... ….………... 1 1
Cuvânt introductiv ………………………………………………………………… MulŃumiri ………………………………………………………………................
…………………………
7 8
9 10
0 INTRODUCERE
0.1. Scopul tezei de doctorat ………………………………..............................… ……..…….. 9 11
0.2. MotivaŃia, noutatea şi importanŃa temei de cercetare ….…............................ ……..…….. 9 11
0.3. Introducere în tematica tezei de cercetare ……………..…............................ ……..…….. 10 11
0.4. NoŃiuni de bază utilizate în caracterizarea structurală şi compoziŃională a
straturilor subŃiri complexe şi nanostructurate: strat subŃire, entităŃi
structurale, materiale nanostructurate, diagrame de fază ……………………
…..………..
12
-
0.5. Straturi subŃiri nanostructurate. Clasificarea materialelor nanostructurate .... .…………... 20 -
CAPITOLUL 1
1. Stadiul actual al cercătărilor privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri tribologice cu compoziŃie complexă şi structură nanometrică ………….
……..……..
23
13
1.1. Stadiul actual şi tendinŃe în realizarea acoperirilor tribologice prin pulverizare
magnetron ……………..……………………………………………….………
……………
23
13
1.1.1. NoŃiuni generale ……………………………………........................... ………..….. 23 13
1.1.2. Catozi Penning de pulverizare (magnetroane) şi sisteme de
pulverizare magnetron …………………..........................................…
……………
30
14
1.1.3. EvoluŃia tehnologiilor de realizare a straturilor subŃiri tribologice,
depuse în vid ……………………………. ..........................................
……………
34
14
1.2. Stadiul actual şi tendinŃe în caracterizarea acoperirilor tribologice ................... …………… 40 -
1.2.1. Caracterizarea straturilor subŃiri. GeneralităŃi ......................................... ..………….. 40 -
1.2.2. Clasificarea proprietăŃilor esenŃiale ale straturilor subŃiri tribologice ..... …………… 42 -
1.3. Obiectivele cercetării din cadrul tezei de doctorat ………………………….… …………… 44 15
CAPITOLUL 2
2. Date tehnice generale privind metodele, echipamentele şi materialele, utilizate la realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri tribologice ..............................
…….……
47
17
2.1. InstalaŃia MultifuncŃională de Depunere a Straturilor SubŃiri în Vid (IM-
DSSV) utilizată la realizarea probelor ...............................................................
……………
47
17
2.2. Microscopia de forŃă atomică (AFM) utilizată la evaluarea rugozităŃii şi
dimensiunii grăunŃilor de cristalizare a straturilor subŃiri ..................................
……….…
56
17
22.3. Spectrometria de retroîmprăştiere Rutherford (Rutherford Backscatteing
Spectrometr) utilizată la evaluarea compoziŃiei şi grosimii straturilor subŃiri
…..…….…
61
18
2.4. Indentarea utilizată la evaluarea caracteristicilor mecanice (duritate şi modul
de elasticitate) ale materialelor …......................................................................
…....………
64
18
2.5. Testul de zgâriere (scratch test) utilizat la evaluarea caracteristicilor
mecanice (aderenŃă) pentru straturile subŃiri tribologice …..................………
…..…..……
70
19
2.6. Evaluarea uzurii şi a coeficientului de frecare pentru cuplele de frecare cu
ajutorul tribometrului tip pin pe disc sau bilă pe disc ………………........……
….....……...
74
20
2.7. Alte echipamente utilizate pentru caracterizarea probelor …............................ ….....……... 76 20
2.8.
Date tehnice existente în literatura de specialitate privind materialele de interes pentru realizarea acoperirilor tribologice prin metoda Pulverizarii
Magnetron …………..........................................................................................
..……..……
77
-
2.9.
Date tehnologice existente în literatura de specialitate privind randamentul de
pulverizare şi rata de depunere pentru materiale uzual folosite în depunerea
de straturi subŃiri în vid ......................................................................................
..………..…
79
-
2.10 Date tehnice si proprietăŃi fizico-mecanice importante ale materialelor de bază, prezentate în brevetele de invenŃie ale autoarei acestei lucrări şi alese în
această lucrare pentru a fi utilizate la realizarea acoperirilor tribolgice,
(WS2; Grafit; WC şi TiB2) ………………………............................................
….….……..
82
-
2.10.1. Date tehnice generale despre bisulfura de wolfram …........................... …..……….. 82 -
Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)
cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
2 Cuprins
2.10.2. Date tehnice generale despre carbon/grafit ………................................ ……..…….. 92 -
2.10.3. Date tehnice generale despre carbura de wolfram ................................. …..……….. 100 -
2.10.4. Date tehnice generale despre diborura de titan ...................................... ………..….. 103 -
CAPITOLUL 3
3. Cercetări experimentale pentru evaluarea capabilităŃilor tehnice ale instalaŃiei utilizată la realizarea acoperirilor tribologice din cadrul tezei …......
.…………...
105
21
3.1. Timpi de vidare, vid limită şi neetanşeitate cameră tehnologică …………...… .…………... 105 21
3.2. Experimentări tehnologice pentru stabilirea domeniului de variaŃie al
presiunilor de echilibru în spaŃiul tehnologic, funcŃie de debitul de gaze (argon şi azot) introdus în spaŃiul tehnologic ………………........................…
.…...………
108
-
3.3. Domeniul teoretic şi practic de lucru al magnetroanelor ……………………... .…………... 110 22
CAPITOLUL 4
4. Cercetări experimentale pentru determinarea ratelor de depunere ale materialelor utilizate la realizarea acoperirilor tribologice ……………….........
.…..……….
111
23
4.1. Date tehnologice pentru depunerea Ti, W, TiB2 şi WC ……............................ …..……….. 111 24
4.2. Experimentări tehnologice pentru stabilirea domeniului de variaŃie al
presiunilor de lucru şi al ratelor de depunere pentru următoarele materiale
uzuale simple: Ti; Al; C; utilizabile pentru obŃinerea de straturi lubrifiante
uscate prin pulverizare magnetron standard în cc ……………...…..............…
....…………
114
-
4.3. Parametrii tehnologici de obŃinerea a nitrurilor metalice de Ti şi Al (TiN;
AlN) utilizate la realizarea acoperirilor tribologice, prin pulverizare magnetron reactivă în cc .……...........................................................................
..…………
119
-
CAPITOLUL 5
5. Cercetări experimentale privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri tribologice, nanometrice şi complexe, cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate ……………………………………………………………...
….………...
121
25
5.1. Straturi tribologice pe bază de carbură de wolfram (WC), cu compoziŃie binară (W-C), ternară (W-C-N; W-C-Ti) şi cuaternară (W-C-
Ti-N), obŃinute prin pulverizare magnetron standard sau de tip reactiv, din
Ńinte de pulverizare comerciale din WC dopate cu N2 şi/ sau Ti …….……..…
……………
120
25
5.1.1. Parametrii tehnologici de realizare a structurilor binare, ternare şi
cuaternare pe bază de WC şi caracteristicile morfologice ale acestora,
evaluate prin AFM ……….................................................................….
..…………..
120
25
5.1.2. Realizarea si caracterizarea din punct de vedere morfologic, electric si
de rezistenŃă la coroziune a straturilor subŃiri tribologice, complexe,
ternare (W-C-Ti) şi cuaternare (W-C-Ti-N), realizate prin pulverizare
magnetron, standard sau de tip reactiv, din 2 Ńinte de pulverizare (WC
si Ti) ……………....................................................................................
……………
128
-
5.1.2.1. Parametri tehnologici de realizare a straturilor tribologice
ternare şi cuaternare, din Ńinte de pulverizare de WC şi Ti ……
….………...
129
-
5.1.2.2. Caracterizarea morfologică şi electrică a straturilor subŃiri
tribologice complexe, ternare (W-C-Ti) şi cuaternare (W-C-
Ti-N) pe bază de WC si Ti ………………….............................
……………
129
-
5.1.2.3. Caracterizarea comportării la coroziune a straturilor subŃiri
tribologice complexe, ternare (W-C-Ti) şi cuaternare (W-C-
Ti-N) pe bază de WC şi Ti …….................................................
..…………..
135
-
5.2. Realizarea şi caracterizarea din punct de vedere morfologic, structural,
compoziŃional, mecanic şi tribologic a straturilor subŃiri tribologice,
complexe, realizate prin pulverizare magnetron, standard sau de tip reactiv, din 3 materiale de bază (tinte de pulverizare): WC; TiB2 si Ti .........................
..…………..
137
27
5.2.1. Realizarea şi caracterizarea morfolgică şi compozitională a straturilor
tribologice cu compoziŃie pseudo-ternară constantă (Ti/TixNy;
TiB2/TixByNz; WC/ WxCyNz), respectiv cuaternară (Ti-B-W-C) si
pentanară (Ti-B-W-C-N), pornind de la 3 materiale de bază (tinte de
pulverizare): WC; TiB2 şi Ti ...................................................................
….………...
137
27
Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)
cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
3 Cuprins
5.2.1.1. Parametri tehnologici de realizare a straturilor tribologice
cu compoziŃie pseudo-ternară constantă (respectiv cu
compoziŃie cuaternară şi pentanară) ...........................................
……………
137
27
5.2.1.2. Caracterizarea morfologică si compoziŃională a straturilor
tribologice cu compoziŃie pseudo-ternară constantă (respectiv
cu compoziŃie cuaternara şi pentanara) ....................................
……………
139
28
5.2.1.3. Concluzii asupra rezultatelor caracterizării morfologice si
compoziŃionale a probelor cu compoziŃie pseudo-ternară
constantă (respectiv cu compozitie cuaternară şi
pentanară) …….….....................................................................
….………...
146
-
5.2.1.4. Caracterizarea mecanică şi tribologică a straturilor
tribologice cu compoziŃie pseudo-ternară constantă
(respectiv cu compoziŃie cuaternară şi pentanară) ………....
….………...
147
30
A. Determinarea durităŃii prin indentare (amprentare), folosind
nanoindentarea AFM ....................................................................... B. Determinarea durităŃii prin indentare, folosind trusa CSM din
UTBv ...............................................................................................
C. Determinarea aderenŃei (sarcina critică) prin testul de zgâriere
(Scratch test) ....................................................................................
D. Determinarea coeficientului de frecare prin metoda tribometrului
….………...
……………
……………
..…………..
147
150
150
155
-
30
30
31
5.2.1.5. Concluzii asupra rezultatelor caracterizării mecanice şi
tribologice a probelor cu compoziŃie pseudo-ternară
(respectiv cu compoziŃie cuaternară si pentanară) constantă
……………
155
31
5.2.2. Realizarea şi caracterizarea morfolgică, compozitională, mecanică şi
tribologică a straturilor tribologice cu grosime mărită şi compoziŃie
pseudo-ternară constantă (respectiv cu compoziŃie cuaternară şi
pentanară), pornind de la 3 materiale de bază: WC; TiB2 si Ti …….…
……………
157
32
5.2.2.1. Parametrii tehnologici de realizare a probelor…........................
5.2.2.2. Determinarea compoziŃiei şi grosimii probelor prin RBS ..…
5.2.2.3. Determinarea morfologiei suprafeŃei şi a structurii straturilor
depuse prin analiza AFM ...........................................................
……………
..…………..
……………
157
158
159
32
33
33
5.2.2.4. Determinarea caracteristicilor mecanice (duritate si modul de
elasticitate- prin nanoindentare şi sarcină critică de
aderenŃă- prin zgâriere) şi tribologice (coeficient de
frecare şi de uzura) ale probelor …………..….………………
……………
161
33
5.2.3. Realizarea si caracterizarea topografică, compoziŃională, mecanică şi
tribologică, a straturilor tribologice cu compoziŃie pseudo-ternară (TixNy+TixByNz + WxCyNz), respectiv cu compoziŃie pentanară (W-C-
Ti-B-N) modulată, pornind de la 3 materiale de bază: WC; TiB2 si Ti
..……..……
165
36
5.3. Realizarea şi caracterizarea din punct de vedere morfologic, structural,
compoziŃional şi mecanic a straturilor subŃiri tribologice, complexe cu
compoziŃie pseudo-cuaternară (Ti/TixNy; TiB2/TixByNz; WC/WxCyNz;
WS2/WxSyCz), respectiv cu compoziŃie pentanară (Ti-W-C-B-S) si sixnară (Ti-
W-C-B-S-N), realizate prin pulverizare magnetron, standard/ reactiv, din 4
materiale de bază: WC; TiB2; Ti; WS2 ........................... .................................
..…..………
173
39
5.3.1 Parametrii de proces pentru realizarea acoperirilor tribologice ……...... ...…………. 173 39
5.3.2 Determinarea durităŃii (H) si a modululului de elasticitate (E) prin
indentare ……………......………………………………………………
..…………..
174
40
5.3.3. Determinarea aderenŃei (sarcinilor critice) prin testul de zgâriere …….. …………… 175 40
5.3.4. Determinarea coeficientului de frecare prin metoda tribometrului Ball-
on-disc ………………………….…........................................................
..…………..
177
41
5.3.5. Concluzii privind: duritatea, tenacitatea, aderenŃa şi coeficientul de
frecare la probele analizate (39, 42 şi 40) ...............................................
……………
178
41
5.4. Concluzii generale privind caracteristicile funcŃionale (mecanice si
tribologice) ale straturilor subŃiri tribologice pseudo-ternare/ cuaternare, studiate în această lucrare ………......................................................................
..……..……
180
43
CAPITOLUL 6
6 ContribuŃii originale şi concluzii …………………………………………………. ..………… 185 45
Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)
cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
4 Cuprins
6.1. ContribuŃii teoretice şi practice originale ale tezei de doctorat la domeniul
straturilor subŃiri nanometrice, cu aplicaŃii in tehnologia materialelor avansate
……….…...
185
45
6.2. Exemple concrete de contribuŃii originale ale autoarei tezei la domeniul straturilor subŃiri nanometrice, cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
..……..……
191
47
6.2.1. Lista brevetelor de invenŃie şi a cererilor de brevet de invenŃie din
domeniul tezei de doctorat ......................................................................
.………...…
192
48
6.2.2. Lista articolelor din domeniul tezei de doctorat publicate în reviste cotate ISI .................................................................................................
..……..……
194
48
6.2.3. Lista lucrărilor din domeniul tezei de doctorat prezentate la conferinŃe
internaŃionale ...........................................................................................
..……..……
195
49
6.2.4. Diplome şi medalii obŃinute la competiŃii internaŃionale de brevete, din
domeniul tezei de doctorat .....................................................................
..……..……
196
50
6.2.5. Fragment din posterul de prezentare a celor 2 brevete de invenŃie
medaliate la Salonul International de Inventica PROINVENT, EdiŃia a
XII-a, 2014, Cluj-Napoca, România .......................................................
..……..……
199
-
BIBLIOGRAFIE
203 51
ANEXE -
Anexa 0.1. Tabelul Periodic al Elementelor Chimice ............................................... ..…..……… 219 -
Anexa 0.2. Exemple cu diagrame de echilibru de faze binare în soluŃii solide/
aliaje. Transformarea unei diagrame de fază ternară a unei soluŃii solide într-o
diagramă de fază pseudo-binară, la crearea unui compus chimic ..............................
…..………
210
-
Anexa 0.3. Scala lucrurilor şi dimensiunea atomilor elementelor chimice ………... ...….……… 214 -
Anexa 1.1. Rezumatul Brevetului de invenŃie nr. 117622 B/30.05.202 denumit
Dispozitiv de pulverizare catodică tip magnetron circular .………………………...
..…………..
216
-
Anexa 2.1. Parametrii de amplitudine (sau de înălŃime) care definesc rugozitatea
suprafeŃei, ce pot fi evaluaŃi prin Microscopie de forŃă atomică ……………………
..……......
217
-
Anexa 2.2. Definirea noŃiunii de „lărgime maximă a jumătăŃii maximului picului/
vârfului” ..............................................................................................……........……
..…………..
221
-
Anexa 2.3. Impachetarea compactă a atomilor elementelor chimice din TPE pentru
realizarea structurilor cristaline ale acestora ..............................................................
..…………..
223
-
Anexa 2.4. NoŃiuni generale privind frecarea în domeniul microtribologiei ........... …………… 226 -
Lista figurilor din teză …………………………………..……….............................. ..………… 233 -
Lista tabelelor din teză ………………………………..…………............................. …………… 238 -
Lista abrevierilor din teza ........................................................................................... …………… 240 -
Rezumat ……………………………………………..……………............................ ..………… 241 53
Curriculum Vitae …………………………………………………............................ …………… 243 54
DeclaraŃie de autenticitate .......................................................................................... …………… 245 -
Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)
cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
5 Table of contents
Table of contents
Pagina Teză Rezumat
Table of contents ………………………………………………………………..... ….………... 1 1
Introductive word …………………………………………………………………
Acknowledgements ……………………………………………………….............
……………
……………
7
8
9
10
0 INTRODUCTION
0.1. Goal of the PhD thesis…………………......…………..............................… ……..…….. 9 11
0.2. Motivation, novelty and importance of the research theme ….….................. ……..…….. 9 11
0.3. Introduction in the topic of the PhD thesis ……………..…....................... ……..…….. 10 11
Basic notions used in structural and compositional characterization of the
complex and nanostructured thin films: thin film, structural entities,
nanostructured materials, phase diagrams ..................................................…
12
-
0.4. Nanostructured thin films. Classification of the nanostructured materials .... .…………... 20 -
CHAPTER 1
1. Researches actual steady regarding achievement and characterization of the tribological thin films with complex composition and nanometric structure ….
……..……..
23
13
1.1. Actual steady and tendencies in achievement of the tribological coatings …… …………… 23 13
1.1.1. General notions ……………………………………........................... ………..….. 23 13
1.1.2. Penning cathodes for sputtering (magnetrons) and magnetron
sputtering systems …………………................................................…
……………
30
14
1.1.3. Evolution of the technologies for tribological thin films achievement …………… 34 14
1.2. Actual steady and tendencies in characterization of the trobological coatings …………… 40 -
1.2.1. Thin films characterization. Generalities ................................................. ..………….. 40 -
1.2.2. Classification of the essential properties of the tribological thin films ... …………… 42 -
1.3. Objectives of the research in the frame of the PhD thesis ………………….… …………… 44 15
CHAPTER 2
2. General technical data regarding methods, equipments and materials, used for achievement and characterization of the tribological thin films .................
…….……
47
17
2.1. Multifunctional System for Vacuum Thin Film Deposition (IM-DSSV) used
for samples achievement ……………................................................................
……………
47
17
2.2. Atomic force microscopy (AFM) used for evaluation of the roughness and
grain size of the thin films ……………………………...................................
……….…
56
13
22.3. Rutherford Backscattering Spectrometry used for composition and thickness
evaluation of the thin films …………………………………………………...
…..…….…
61
18
2.4. Indention method used for mechanical characteristics evaluation (hardness
and elasticity modulus) of the materials ...........................................................
…....………
64
18
2.5. Scratch test method used for mechanical characteristics evaluation of the
tribological thin films ………………………………….…..................………
…..…..……
70
19
2.6. Wear and coefficient of friction evaluation for friction couples with pin/ball-
on-disc tribometer ………………………………….………………........……
….....……...
74
20
2.7. Other equipments used for characterization of the samples ............................. ….....……... 76 20
2.8.
Technical data existent in the specialized literature regarding the interested
materials for achievement of the tribological coatings by Magnetron
Sputtering …………........................................................................................
..……..……
77
-
2.9.
Technical data existent in the specialized literature regarding sputtering
efficiency and deposition rate for the materials used in thin films deposition.
..………..…
79
-
2.10 Technical data and essential physical-mechanical properties of the basic
materials, presented in the patents of the author of this work and selected in
order to be used for achievement of the tribological coatings, (WS2; Graphite;
WC and TiB2) ………………………................................................................
….….……..
82
-
2.10.1. Technical data for tungsten disulphide ................................................. …..……….. 82 -
2.10.2. Technical data for carbon/graphite ........................................................ ……..…….. 92 -
2.10.3. Technical data for tungsten carbide ....................................................... …..……….. 100 -
2.10.4. Technical data for titanium diboride ……............................................. ………..….. 103 -
Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)
cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
6 Table of contents
CAPITOLUL 3
3. Experimental researches for evaluation of the technical capabilities of the deposition vacuum system used for achievement of the tribological coatings ....
.…………...
105
21
3.1. Pumping time, ultimate pressure and vacuum leak.
of the technological chamber…………...….......................................................
.…………...
105
21
3.2. Technological experiments for establishment of the variation range of the
equilibrium pressures in the technological space, function of the introduced
gas flow (argon and nitrogen) ……………...………………........................…
.…...………
108
-
3.3. Theoretical and practical working range of the magnetrons ..………………... .…………... 110 22
CAPITOLUL 4
4. Experimental researches for establishment of the deposition rates of materials used for achievement of tribological coatings ...................... ……………….........
.…..……….
111
23
4.1. Technological date for deposition of Ti, W, TiB2 and WC …............................…..……….. 111 24
4.2. Technological experiments for establishment of the variation range of the
working pressures and deposition rates for the following simple elements: Ti;
Al; C; used for obtaining of dry lubricant thin films by standard magnetron
sputtering in DC ……………...…..................................................................…
....…………
114
-
4.3. Technological parameters of deposition of metallic nitrides of Ti and Al
(TiN; AlN) used for obtaining of tribological coatings, by reactive magnetron
sputtering in D.C. ……....……...........................................................................
..…………
119
-
CHAPTER 5
5. Experimental researches regarding achievement and characterization of the nanometric and complex tribological thin films, with application in advanced materiasl technology …………………………………………………...
….………...
121
25
5.1. Tribological layers based on tungsten carbide (WC), with bynary (W-C),
ternary (W-C-N; W-C-Ti) and quaternary (W-C-Ti-N) composition, obtained
by standard or reactive magnetron, from WC commercially, dopped with N2
and/ or Ti targets ……………….…………………………………………...…
……………
120
25
5.1.1. Technological parameters for achievement of the binary, ternary,
quaternary structures based on WC and evaluation of their
morphological characteristics by AFM ………..................................….
..…………..
120
25
5.1.2. Achievement and characterization from morphological, electrical
corrosion resistance point of view of the complex, tribological thin
films with ternary (W-C-Ti) and quaternary (W-C-Ti-N) composition,
obtained by standard or reactive magnetron sputtering, from 2
sputtering targets (WC and Ti) ...............................................................
……………
128
-
5.1.2.1. Technological parameters for achievement of the ternary and
quaternary tribological coatings, from WC and Ti sputtering
targets ………………………………………………………….
….………...
129
-
5.1.2.2. Morphological and electrical characterization of the, ternary
(W-C-Ti) and quaternary (W-C- Ti-N) complex tribological thin
films, based on WC and Ti …...................................................
……………
129
-
5.1.2.3. Corrosion resistance characterization of the, ternary
(W-C-Ti) and quaternary (W-C- Ti-N) complex tribological
thin films, based on WC and Ti ..............................................
..…………..
135
-
5.2. Achievement and morphological, structural, compositional, mechanical and
tribological characterization of the complex, tribological thin films, obtained
by standard or reactive magnetron sputtering, from 3 materials (sputtering
targets): WC; TiB2 andTi ................................................................
..…………..
137
27
5.2.1. Achievement and morphological and compositional characterization of
the tribological thin films with constant pseudo-ternary composition
(Ti/TixNy; TiB2/TixByNz; WC/ WxCyN), respectively with quaternary (Ti-
B-W-C) and pentanary (Ti-B-W-C-N) composition, starting from 3
materials (sputtering targets): WC; TiB2 and Ti
......................................................................................................
….………...
137
27
Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)
cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
7 Table of contents
5.2.1.1. Technological parameters for achievement of the tribological
coatings with constant pseudo-ternary composition
(respectively with quaternary and pentanary composition) ......
……………
137
27
5.2.1.2. Morphological and compositional characterization of the
tribological coatings with constant pseudo-ternary composition
(respectively with quaternary and pentanary composition) .......
……………
139
28
5.2.1.3. Conclusions regarding the results of the morphological and
compositional characterization of the samples with constant
pseudo-ternary composition (respectively with quaternary and
pentanary composition) …..........................................................
….………...
146
-
5.2.1.4. Mechanical and tribological characterization of the
tribological coatings with constant pseudo-ternary composition
(respectively with quaternary and pentanary composition) ….....
….……….
147
30
A. Evaluation of hardness by indentation, using AFM
nanoindentation ……………………………………………………
B. Evaluation of hardness by indentation, using CSM table platform
from UTBv ......................................................................................
C. Evaluation of adherence (critical load) by Scratch test ...................
D. Evaluation of coefficient of friction by tribometer method ………
….………...
……………
..…………..
……………
147
150
150
155
-
30
30
31
5.2.1.5. Conclusions regarding the mechanical and tribological
characterization results of the samples with constant pseudo-
ternary composition (respectively with quaternary and
pentanary composition)……………………………………….
……………
155
31
5.2.2. Achievement and morphological, compositional, mechanical and
tribological characterization of the tribological coatings with increased
thichness and constant pseudo-ternary composition (respectively with
quaternary and pentanary composition), starting from 3 materials:
WC; TiB2 andTi ……………………………………………………..…
……………
157
32
5.2.2.1. Technological parameters for samples achievement …………
5.2.2.2. Evaluation of the thickness and composition of the sample by
RBS ……………………………………………………………
5.2.2.3. Evaluation of the surface morphology and structure of the
deposited samples by AFM analysis ….……………………....
……………
..…………..
……………
157
158
159
32
33
33
5.2.2.4. Evaluation of mechanical (hardness and
elasticity modulus – by nonoindentation and critical
load of adherence – by scratch test) and tribological
(coefficient of friction and wear) characteristics of the samples
……………
161
33
5.2.3. Achievement and topographical, compositional, mechanical and
tribological characterization of the tribological thin films with pseudo-
ternary (TixNy+TixByNz + WxCyNz), respectively with pentnary (W-C-
Ti-B-N) modulated composition, starting from 3 base materials: WC;
TiB2 and Ti ……………………………………………………………
..……..……
165
36
5.3. Achievement and morphological, structural, compositional and mechanical
characterization of the omplex tribological thin films, with pseudo-quaternary
(Ti/TixNy; TiB2/TixByNz; WC/WxCyNz; WS2/WxSyCz), respectively with
pentnary (Ti-W-C-B-S) and sixnary (Ti-W-C-B-S-N) composition, obtained by
standard/ reactive magnetron sputtering , from 4 base materials: WC; TiB2;
Ti; WS2 .............................................................................................................
..…..………
173
39
5.3.1 Process parameters for achievement of the tribological coatings …....... ...…………. 173 39
5.3.2 Evaluation of hardness (H) and elasticity modulus (E) by indentation
test …… ……………......………………………………………………
..…………..
174
40
5.3.3. Evaluation of adherence (critical loads) by scratch test ……………….. …………… 175 40
5.3.4. Evaluation of coefficient of friction by Ball-on-disc test ….................. ..………….. 177 41
5.3.5. Conclusions regarding: hardness, tenacity, adherence, and coefficient
of friction for the samples (39, 42 şi 40) .................................................
……………
178
41
5.4. General conclusions regarding functional (mechanical and tribological)
characteristics of the pseudo-ternary/ quaternary thin films, studied in this
PhD thesis ………………………......................................................................
..……..……
180
43
CHAPTER 6
Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)
cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
8 Table of contents
6 Original contributions and conclusions…………………………………………. ..………… 185 45
6.1. Original theoretical and practical contributions of the PhD thesis to the field
of nanometric thin films, with applications in advanced materials technology
……….…...
185
45
6.2. Real examples of original contributions of the author of this PhD thesis
to the field of nanometric thin films, with applications in
advanced materials technology ………………………………………………...
..……..……
191
47
6.2.1. List of patents and patent applications in the field of the PhD thesis …. .………...… 192 48
6.2.2. List of the ISI publications in the field of the PhD thesis ……............... ..……..…… 194 48
6.2.3. List of the works presented at international conferences
in the field of the PhD thesis ………......................................................
..……..……
195
49
6.2.4. Diplomas and medals obtained at international competitions
for inventions in the field of the PhD thesis ……..................................
..……..……
196
50
6.2.5. Part of the poster for presentation of the 2 patents, awarded at the
International Salon for Invention PROINVENT, XII Edition, 2014,
Cluj-Napoca, România ............................................................................
..……..……
199
-
BIBLIOGRAPHY
203 51
ANNEXES -
Annex 0.1. Periodic Table of Chemical Elements … ............................................... ..…..……… 219 -
Annex 0.2. Exemplas with binary phase diagrams of equilibrium in solid solutions/
alloys. Conversion of a ternary phase diagram of a solid solution in a pseudo-
binary phase diagram when creating a chemical compound ……..............................
…..………
210
-
Annex 0.3. The scale of things and the dimension of the chemical elements atom... ...….……… 214 -
Annex 1.1. Summary of the Patent no. 117622 B/30.05.202, Device for cathodic
sputtering of circular magnetron type …………………….………………………...
..…………..
216
-
Annex 2.1. Amplitude (height) parameters that define surface roughness and can
be evaluated by atomic force microscopy …………………….……………………. ..……......
217
-
Annex 2.2. Definition of “Full Width at Half Maximum” ………………………… ..………….. 221 -
Anexa 2.3. Compact oaccking of the atoms of the chemical elements from the
from the Periodic Table of Chemical Elements for achievement of their crystalline
structures …………………………………….............................................................
..…………..
223
-
Anexa 2.4. Generalities regarding friction in the microtribology field ……........... …………… 226 -
List of figures ……..…………………………………..……….............................. ..………… 233 -
List of tables ……...… ………………………………..…………............................. …………… 238 -
List of abreviations ……. ........................................................................................... …………… 240 -
Summary…………………………………………..……………............................ ..………… 241 53
Curriculum Vitae …………………………………………………............................ …………… 243 54
Declaration of authenticity.......................................................................................... …………… 245 -
Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZA DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)
cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
9
Cuvânt introductiv
Lucrarea “CERCETĂRI PRIVIND REALIZAREA ŞI CARACTERIZAREA
STRATURILOR SUBłIRI (NANOMETRICE) CU APLICAłII ÎN TEHNOLOGIA
MATERIALELOR AVANSATE” are ca bază de pornire o sinteza originală a cunoştiinŃelor
teoretice şi practice existente astăzi în domeniul realizării straturilor subŃiri depuse în vid (cu
structură nanometrică, obŃinute prin metoda pulverizării catodice tip magnetron) şi a
caracterizării morfologice, compoziŃionale şi funcŃionale a straturilor subŃiri tribologice
obŃinute prin acelaşi procedeu, bazã de pornire care a permis definirea unor obiective de
cecetare care s-au concretizat în final cu implementarea în domeniu a unor contribuŃii
originale privind realizarea de acoperiri tribologice cu noi structuri si noi compoziŃii
(contribuŃii atestate de cele 5 brevete de invenŃie acordate de OSIM în perioada 2013-2014)
şi de cele 2 cereri de brevet de invenŃie depuse la OSIM în 2012 acceptate de acesta şi aflate
în stadiul final de evaluare). Lucrarea are un pronunŃat caracter experimental şi conŃine o
Introducere (ce cuprinde: motivaŃia, noutatea, actualitatea şi importanŃa temei, cu
încadrarea acesteia în contextul cercetărilor la nivel naŃional şi internaŃional precum şi
scopul cercetării) şi 6 capitole, cu următoarele titluri:
Capitolul 1. Stadiul actual al cercetărilor privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri
cu compozŃie complexă şi structură nanometrică;
Capitolul 2. Date tehnice generale privind metodele, echipamentele şi materialele utilizate la
realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri tribologice;
Capitolul 3. Cercetări experimentale pentru evaluarea capabilităŃilor tehnice ale instalaŃiei
utilizată la realizarea acoperirilor tribologice;
Capitolul 4. Cercetări experimentale pentru determinarea ratelor de depunere prin pulverizare
magnetron ale materialelor de interes la realizarea acoperirilor tribologice;
Capitolul 5. Cercetări experimentale privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri
tribolgice, nanometrice şi complexe, cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate;
Capitolul 6. ContribuŃii originale si concluzii, aduse de autor la realizarea straturilor subŃiri
tribologice.
Originalitatea contribuŃiilor cuprinse în lucrare este susŃinută, aşa cum s-a precizat anterior de:
- 5 brevete de invenŃie acordate de OSIM (1 în 2013 şi 4 în 2014) la care Alice-Ortansa
Mateescu este coautor şi 2 cereri de brevet de invenŃie, depuse la OSIM în 2012;
- 7 articole publicate in reviste cotate ISI şi 8 prezentări susŃinute la conferinŃe
internaŃionale din domeniu.
Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZA DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)
cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
10
MULłUMIRI
Domnului Prof. Univ. Dr. Ing. Cornel Samoilă - conducatorul tezei de doctorat Stimă şi alese mulŃumiri pentru sprijinul moral şi ştiinŃific acordat pe toată durata de desfăşurare a studiilor doctorale şi de elaborare a lucrării, pentru încrederea acordată, pentru bunăvoinŃă şi înŃelegere.
Colectivului de la Universitatea Transilvania din Braşov format din: Prof. Dr. Doru UrsuŃiu, Prof. Dr. Daniel Munteanu; Dr. Dan Cristiea; Dr. Vlad Jinga şi Dr. Victor Nascov Sincere mulŃumiri pentru implicarea activă în caracterizarea mecanică, electrică, anticorozivă şi tribologică a straturilor subŃiri realizate în această lucrare şi finalizate prin lucrări ştiinŃifice publicate în reviste cotate ISI şi prezentate la conferinŃe internaŃionale.
Colectivului de la Institutul NaŃional de C-D pentru Fizica si Inginerie Nucleară (IFIN-HH), format din: Dr. ing. Gheorghe Mateescu; Dr. Liviu Crăciun; Dr. Ion Burducea si Dr. Cristina Ionescu. Calde mulŃumiri pentru implicarea activă în realizarea şi caracterizarea morfologică şi compoziŃională a straturilor subŃiri realizate în această lucrare şi finalizate prin lucrări ştiinŃifice publicate în reviste cotate ISI şi prezentate la conferinŃe internaŃionale. Şefului Departamentului de Fizică Hadronică (DFH) din IFIN-HH, Prof. Dr. Mihai Petrovici. Stimă şi calde mulŃumiri pentru că a asigurat fondurile necesare pentru achiziŃia instalaŃiei multifuncŃionale pentru depunerea straturilor subŃiri în vid prin pulverzare magnetron, prin proiectul pe care l-a coordonat (CEXMECDIF - Centru de cercetare de excelenŃă pentru calcul distribuit, metodică, fizică şi participare în mari colaborări internaŃionale), în cadrul proiectului de “capacităŃi mari” din IFIN-HH (DEZVOLTAREA INFRASTRUCTURII PENTRU CERCETĂRI DE FRONTIERĂ ÎN FIZICA NUCLEARĂ ŞI DOMENII CONEXE-http://proiecte.nipne.ro/pn2-capacitati_mari/), ce a permis realizarea acestei lucrări. Colectivului de la Universitatea din Bucuresti (UB) - Facultatea de Fizică, format din Prof. Dr. Ioan Stamatin si Dr. Adriana Bălan Sincere şi calde mulŃumiri pentru implicarea activă in caracterizarea morfologică, anticorozivă şi electrică a straturilor subŃiri tribologice pe baza de WC şi finalizate prin lucrări ştiinŃifice publicate în reviste cotate ISI şi prezentate la conferinŃe internaŃionale. Familiei mele cu multă dragoste şi recunoştinŃă! MulŃumesc încă o dată tuturor celor care au fost alături de mine şi care au contribuit, mai mult sau mai puŃin, la finalizarea acestei lucrări. Alice-Ortansa Mateescu
Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)
cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
11
Introducere
INTRODUCERE
0.1.Scopul tezei de doctorat
Scopul tezei îl constituie realizarea de cercetări experimentale de pionierat în vederea:
1. stabilirii parametrilor de proces pentru realizarea acoperirilor tribologice complexe
prin pulverizare magnetron standard sau reactiv (folosind N2 drept gaz reactiv), în cc
sau RF, pornind de la următoarele materiale (Ńinte de pulverizare): Ti; WC; TiB2 şi
WS2 şi de la cerinŃele impuse acoperirilor tribologice prin Brevetele de InvenŃie
obŃinute în acest domeniu de autoarea acestei teze.
2. caracterizării morfologice şi structurale a straturilor depuse, folosind Microscopia de
forŃă atomică (Atomic Force Microscopy/ AFM) şi Spectrometria de retroîmpraştiere
Rutherford (Rutherford Backscattering Spectrometry/ RBS), precum şi caracterizarea
funcŃională (mecanică, tribologică şi anticorozivă) folosind metodele de: Indentare,
pentru determinarea durităŃii (Hardness Test Method); Zgâriere (Scrach Test Method),
Uzură şi frecare (Pin-on-Disk Tribometer Method) şi RezistenŃa la coroziune
(Corrosion Cell Method).
3. iniŃierii unei direcŃii noi de cercetare în domeniul straturilor subŃiri tribologice.
0.2. MotivaŃia, noutatea şi importanŃa temei de cercetare
Teza se înscrie în domeniul cercetărilor aplicative şi se regăseşte în programele
Uniunii Europene aflate în derulare, precum: M-ERA.NET (în subdomeniul “Materials with
new surfaces and coatings”), HORIZON 2020 (în subdomeniul tehnologiilor generice şi
industriale pentru realizarea de noi materiale şi noi tehnologii de fabricaŃie, cum ar fi de
exemplu domeniul nanotehnologiilor), etc. Cercetările de top din domeniul acoperirilor
tribologice la nivel European şi internaŃional sunt orientate în prezent spre: dezvoltarea de noi
metode de acoperire, utilizarea de noi materiale, realizarea de noi structuri de straturi subŃiri.
Straturi tribologice complexe cu structura şi compoziŃia celor prezentate în teză (din 3 sau 4
materiale sub formă de strat unic sau multistrat şi compoziŃie constantă sau variabilă de tip
modulat) nu se găsesc publicate în literatura de specialitate.
0.3. Introducere în tematica tezei de cercetare
Una dintre aplicaŃiile majore şi cu eficienŃă economică crescută a straturilor subŃiri în
tehnologia materialelor avansate o constituie realizarea acoperirilor tribologice, adică a
acoperirilor de tip strat subŃire (grosime < 10 µm) care asigură cuplelor de frecare o durată de
viaŃă crescută, dată de o uzură cât mai mică şi un coeficient de frecare cât mai redus.
Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)
cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
12 Introducere
Pentru procesele de transfer de putere în sistemele mecanice ale echipamentelor
(instalaŃiilor) terestre şi aerospaŃiale (din industria: militară, energetică, auto, aviatică,
aerospaŃială, etc.) nimic nu funcŃionează fără frecare şi problema esenŃială a tuturor
sistemelor mecanice (cuplelor de frecare) care generează zgomote, caldură excesivă, şi
deteriorarea lor prematură în urma uzurii din timpul funcŃionării este frecarea, caracterizată
cantitativ de coeficientul de frecare (dinamic şi static). Se estimează că pierderile de energie
datorate frecării în Ńările industrializate sunt între 5 şi 7% din Produsul Intern Brut al acestora
[1], iar circa 1/3 ... 1/2 din totalul energiei produse în lume se consumă prin frecare [2].
Practica a demonstrat că frecarea este pricipala cauză a: reducerii performanŃelor;
creşterii consumului energetic; creşterii costurilor de mentenanŃă; deteriorării ca urmare a
uzurii; scurtării vieŃii sau distrugerii catastrofice, pentru mecanismele terestre şi aerospaŃiale.
Pentru a reduce uzura sistemelor mecanice, prin reducerea coeficientului de
frecare al acestora, s-au folosit şi încă se utilizează pe scară largă lubrifianŃi fluizi
specializaŃi, deoarece în sistemele mecanice clasice lubrifierea este indispensabilă pentru
obŃinerea unei frecări reduse între două suprafeŃe aflate în mişcare.
În ultima perioadă însă, pentru medii speciale (cu vid înaintat şi ultraînaintat şi
temperaturi extreme şi variabile), în care utilizarea lubrifianŃilor lichizi este dificilă, s-au
dezvoltat acoperirile tribologice cu straturi lubrifiante uscate („Dry Lubricant Coatings”
cu uzură redusă şi coeficienŃi de frecare reduşi) obŃinute în atmosferă deschisă din micro şi
nano pulberi, prin metode clasice (dipping, burnishing, spray-ere) sau în vid, prin metode
fizice de depunere din vapori (Physical Vapour Deposition Methods/ PVD-M).
Pentru realizarea acoperirilor tribologice (probelor) necesare la această cercetare s-a
utilizat o metodă de depunere a straturilor subŃiri în vid tip PVD şi anume pulverizarea tip
magnetron standard/ reactiv, în cc şi RF.
Mediul de lucru constituie unul dintre factorii de bază ai depunerii de straturi subŃiri,
deoarece acesta influenŃează în mod puternic compoziŃia şi structura peliculelor depuse,
precum şi temperatura şi cheltuielile energetice ale procesului.
Vidul, ca mediu de desfăşurare a procesului de depunere, asigură realizarea de pelicule
curate (cu impurificare redusă), reproductibile şi imposibil de obŃinut prin alte metode şi de
aceea metodele de depunere a straturilor subŃiri în vid au căpătat o dezvoltare explozivă.
Astăzi, cea mai mare parte a cercetărilor din domeniul acoperirilor tribologice, ce fac
şi obiectul tezei de doctorat, se face utilizând metodele de depunere în vid tip PVD, iar
pulverizarea de tip magnetron ocupă un loc de frunte.
Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)
cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
13 CAPITOLUL 1: Stadiul actual al cercetărilor privind realizarea şi caracterizarea
straturilor subŃiri tribologice cu compoziŃie complexă şi structură nanometrică
CAPITOLUL 1
1. Stadiul actual al cercetărilor privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri tribologice cu compoziŃie complexă şi structură nanometrică
1.1. Stadiul actual şi tendinŃe în realizarea acoperirilor tribologice prin pulverizare magnetron
1.1.1. NoŃiuni generale
Ingineria suprafeŃei ce include la modul general tratamentele termice şi procesele de
acoperire este una dintre cele mai eficace şi flexibile soluŃii pentru rezolvarea problemelor
tribologice. În toate aplicaŃiile tribologice, utilizarea acoperirilor reprezintă o măsură eficientă
şi relativ economică de reducere a frecării şi de protecŃie a suprafeŃei substratului la uzură, dar
selectarea metodei de depunere potrivită şi a materialelor de depunere pentru o anumită
aplicaŃie tribologică este încă dificilă şi complicată, întrucât răspunsul tribologic al sistemului
faŃă de metoda de acoperire depinde de mai mulŃi factori, cum ar fi: caracteristicile mecanice
şi tribologice ale stratului de acoperire; proprietăŃile substratului şi a părŃii opuse acestuia şi
condiŃiile de lucru ale cuplei de frecare. Acoperirile tribologice trebuie să îmbunătăŃească
rezistenŃa la uzură a suprafeŃelor adică, să asigure extinderea duratei de viaŃă a cuplei de
frecare. În ultimele decenii au fost dezvoltate şi utilizate cu success în sistemele tribologice
numeroase metode de acoperire, în vederea reducerii frecării şi protecŃiei suprafeŃelor de
distrugeri. ObŃinerea de materiale noi şi complexe pentru realizarea acoperirilor tribologice se
face astăzi utilizând tehnologiile de depunere cu dezvoltare în vid sau în atmosfera deschisă.
Mediul de lucru are o influenŃă puternică asupra structurii şi compoziŃiei acoperirilor
precum şi asupra temperaturii şi costurilor energetice ale procesului. Vidul, ca mediu de
desfăşurare a proceselor de depunere tip PVD, asigură, prin tehnologiile nepoluante şi cu
costuri energetice scăzute, obŃinerea straturilor subŃiri curate, reproductibile, şi imposibil de
obŃinut prin alte metode clasice.
Metodele de depunere a straturilor subŃiri în vid conŃin o multitudine de procedee de
depunere, care Ńin cont numai de natura fenomenelor care au loc în procesul de depunere a
straturilor subŃiri în vid, proces ce poate avea trei etape distincte şi anume:
etapa de generare a materialului de depunere sub formă de vapori;
etapa de transport a materialului de depunere de la locul de generare la piesa de acoperit;
etapa de nucleaŃie (de creştere a peliculei).
Depunerile de straturi subŃiri în vid prin metode fizice se realizează în vid mediu (10-2
... 10-4
mbar), în vid înaintat (10-5
… 10-7 mbar), precum şi în vid ultraînaintat (sub 10
-7 mbar) şi de
Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)
cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
CAPITOLUL 1: Stadiul actual al cercetărilor privind realizarea şi caracterizarea
straturilor subŃiri tribologice cu compoziŃie complexă şi structură nanometrică
14
aceea dezvoltarea lor este strâns legată de dezvoltarea componentelor şi echipamentelor
pentru realizarea vidului. Dezvoltarea explozivă a tehnologiilor de depunere a straturilor
subŃiri în vid a fost asigurată şi de dezvoltarea tehnicii vidului (componente şi echipamente de
vid). Pe lângă tehnologiile clasice de acoperire, se asistă în prezent la dezvoltarea,
perfecŃionarea şi extinderea tehnologiilor de depunere a straturilor subŃiri în vid, atât în
cercetare cât şi în producŃie. Pentru multe produse ce sunt acum pe piaŃă, metodele industriale
clasice de acoperire de protecŃie a metalelor (cum ar fi acoperirile electrochimice/ prin
imersie în topitură/ etc.) ineficiente şi poluante au fost înlocuite treptat de aplicaŃii directe ale
tehnologiilor straturilor subŃiri ce sunt tehnologii complet nepoluante.
Un avantaj esential a metodelor de depunere în vid de tip Physical Vapor Deposition
(PVD) îl reprezintă potenŃialul practic al acestora de a permite depunerea la toate materialele
cunoscute (chiar şi acelea cu temperatură de topire ridicată ce erau evitate prin procedeele
clasice) precum şi la multe combinaŃii ale acestora, ce dau posibilitatea obŃinerii de straturi
subŃiri cu proprietăŃi electrice, termice, conductive, rezistive, dielectrice, magnetice,
semiconductoare, supraconductoare, optice, biocompatibile, anticorozive, lubrifiante, de
durificare, etc., extrem de diferite.
1.1.2. Catozi Penning de pulverizare (magnetroane) şi sisteme de pulverizare magnetron
Magnetroanele sunt dispozitive speciale de pulverizare catodică tip diodă (deci cu
catod şi anod) prevăzute cu câmpuri electrice şi magnetice încrucişate şi cu o anumită
configuraŃie a electrozilor (anod şi catod) şi a sistemului magnetic, care să asigure o
capcană magnetică electronilor secundari, pentru intensificarea şi localizarea plasmei la
suprafaŃa Ńintei de pulverizare, în vederea creşterii ratei de pulverizare.
Procesul de confinare şi intensificare a plasmei, la suprafaŃa Ńintei de pulverizare, este
favorizat de configuratia liniilor de camp magnetic şi de electronii secundari (ejectaŃi din Ńintă
în urma bombardării acesteia cu ioni de Ar pozitivi) obligaŃi să execute deplasări după
traiectorii cicloidale, sub acŃiunea forŃei Lorentz.
1.1.3. Evolutia tehnologiilor de realizare a straturilor subŃiri tribologice, depuse în vid
Pulverizarea de tip magnetron este procedeul cel mai potrivit pentru depunerea
simultană/ succesivă, în concentraŃiile dorite şi cu o aderenŃă îmbunătăŃită la substrat a tuturor
materalelor metalice şi nemetalice (elemente chimice) din Tabelul Periodic al Elementelor
(TPE), precum şi a compuşilor chimici organici şi anorganici ai acestor elemente chimice care
pot fi manufacturate sub formă de Ńinte de pulverizare.
Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)
cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
CAPITOLUL 1: Stadiul actual al cercetărilor privind realizarea şi caracterizarea
straturilor subŃiri tribologice cu compoziŃie complexă şi structură nanometrică
15
Pulverizarea magnetron cu ionizare (IMS = Ionised Magnetron Sputtering) este un
procedeu nou de pulverizare magnetron ce utilizează pentru producerea materialului ionizat
cu un magnetron clasic (Catod de pulverizare Penning) şi o sursă de putere în impuls (High
Power Impulse Magnetron Sputtering - HPIMS) care, datorită gradului foarte înalt de ionizare
a materialului de depunere asigură faŃă de pulverizarea magnetron standard, realizarea de
pelicule dense (fără porozitate) şi cu aderenŃă îmbunătăŃită la substrat [36; 37; 38; 39].
Prima generaŃie de acoperiri dure şi lubrifiante de tip PVD (cu: rezistenŃă crescută la
uzură şi coroziune; o reducere mică a coeficientului de frecare) a fost reprezentată de
nitrurile din metale, cum ar fi TiN, CrN, ZrN şi ZrCN.
A doua generaŃie de acoperiri de tip PVD s-a dezvoltat prin introducerea altor
elemente, precum: Al, Cr, C, Y în reŃeaua cristalină a TiN: TiAlN, TiCrN, TiCN, TiAlYN,
sau utilizând multistraturi, cum ar fi: TiN/TiAlN; TiN/TiCN, TiAlN/CrN, TiAlYN/VN, etc.
A treia generaŃie de acoperiri de tip PVD a apărut de curând şi este orientatã spre
diversificarea aplicaŃiilor straturilor subŃiri depuse în vid şi spre îmbunătăŃirea proprietãŃilor
funcŃionale a acestora prin: utilizarea celor mai noi si performante metode de depunere a
straturilor subŃiri în vid; utilizarea de noi materiale cu structuri şi compoziŃii complexe [36-
46] şi va fi dezvoltată şi prin această lucrare precum şi prin lucrări ştiinŃifice viitoare ale
autoarei tezei, ce vor urmări utilizarea acoperirilor de strat unic (monostrat) sau de straturi
multiple (multistraturi) cu structură şi compoziŃie complexă, realizate din materiale simple
(elemente chimice) şi compuse (compuşi chimici anorganici sau organici) cu proprietăŃi care
îndeplinesc cerinŃele din brevetele de invenŃie ale autoarei tezei.
1.3. Obiectivele cercetării din cadrul tezei de doctorat
Teza de doctorat se bazează pe cercetările experimentale efectuate în perioada
stagiului de doctorat cât şi pe cercetarea documentară efectuată de autoarea acestei teze de
doctorat atât înainte de demararea acestei lucrări ştiinŃifice (în cadrul colectivului de
cercetare-dezvoltare din IFIN-HH, din care face parte), cât şi în timpul stagiului de doctorat,
iar această activitate de cercetare a fost finalizată cu 5 brevete de invenŃie (la care Alice-
Ortansa Mateescu este coautor), acordate de OSIM (1 în 2013 şi 4 în 2014) şi 2 cereri de
brevet de invenŃie înregistrate la OSIM în 2012 şi aflate în stadiul final de evaluare.
În vederea atingerii scopului propus (definit in introducerea acestei lucrari) au fost
stabilite următoarele obiective ale cercetării:
Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)
cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
CAPITOLUL 1: Stadiul actual al cercetărilor privind realizarea şi caracterizarea
straturilor subŃiri tribologice cu compoziŃie complexă şi structură nanometrică
16
1. Verificarea capabilităŃilor tehnice de realizare a acoperirilor tribologice prin
pulverizare magnetron standard/ reactiv în cc şi RF, folosind IM-DSSV din IFIN-HH.
2. Determinarea ratelor de depunere pentru materialele alese a fi utilizate: (Ti; C; WC şi
TiB2) la realizarea acoperirilor tribologice, date care nu se găsesc publicate în literatura
de specialitate.
3. Determinarea parametrilor de proces şi a caracteristicilor morfologice, structurale şi
funcŃionale ale acoperirilor tribologice cu structură binară, ternară şi cuaternară, pe
bază de carbură de wolfram (WC), N2 şi/ sau Ti.
4. Determinarea parametrilor de proces şi a caracteristicilor morfologice, structurale şi
funcŃionale ale acoperirilor tribologice cu compoziŃie pseudo-ternară constantă sau
modulată (TixNy; TiB2/TixByNz; C/WxCyNz), respectiv cuaternară (W-Ti-C-B) şi
pentanară (W-Ti-C-B-N), pornind de la 3 materiale de bază: Ti; WC şi TiB2.
5. Determinarea parametrilor de proces şi a caracteristicilor morfologice, structurale şi
funcŃionale ale acoperirilor tribologice cu compoziŃie pseudo-cuaternară constantă
sau modulată (Ti/TixNy; TiB2/TixByNz; WC/WxCyNz; WS2/WxSyCz), respectiv pentanară
(Ti-W-C-B-N) şi sixnară (Ti-W-C-B-S-N), pornind de la 4 materiale de bază (Ńinte de
pulverizare): Ti; WC, TiB2 şi WS2.
6. Concluzii privind noutăŃile, originalitatea şi eficienŃa tehnologiei utilizate în această
lucrare la realizarea acoperirilor tribologice şi previzionarea potenŃialului de
dezvoltare al acesteia.
Cercetările viitoare ale autoarei acestei teze de doctorat în acest domeniu vor fi în
concordanŃă cu cercetările de top la nivel european şi internaŃional şi vor fi orientate spre:
1. Utilizarea noilor metode şi procedee de tip PVD (Pulverizarea magnetron în impuls de
putere ridicată; Evaporarea cu arc catodic filtrat; AblaŃia laser în femtosecunde cu
impuls de putere ridicată; etc.) pentru îmbunătăŃirea proprietăŃilor acoperirilor tribologice,
precum: aderenŃa, porozitatea, duritatea, coeficientul de frecare, etc;
2. Utilizarea de noi materiale sau de noi combinaŃii de materiale în vederea îmbunătăŃirii
proprietăŃilor tribologice ale acoperirilor;
3. Realizarea de noi acoperiri tribologice nano-structurate (cu nanostructură normală pentru
10 nm < grosimea stratului < 100 nm; cu structură superlattice pentru 2nm < grosimea
stratului < 10 nm) cu proprietăŃi mecanice şi tribologice mai bune (coeficient de frecare,
duritate, coroziune şi rezistenŃă termică).
4. Realizarea de noi acoperiri cu compoziŃie/ structură graduală cu proprietăŃi tribologice
îmbunătăŃite (ce urmează a fi dezvoltate în cercetarile viitoare).
Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)
cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
17 CAPITOLUL 2: Date tehnice generale privind metodele, echipamentele şi materialele,
utilizate la realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri tribologice
CAPITOLUL 2
2. Date tehnice generale privind metodele, echipamentele şi materialele, utilizate la realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri tribologice
2.1. InstalaŃia MultifuncŃională de Depunere a Straturilor SubŃiri în Vid (IM-DSSV)
utilizată la realizarea probelor Pentru realizarea straturilor subŃiri s-a folosit metoda pulverizării catodice tip
magnetron şi s-a utilizat InstalaŃia MultifuncŃională de Depunere a Straturilor SubŃiri în
Vid (IM-DSSV), existentă în IFIN-HH şi redată în Figura 2.1, instalaŃie ce a fost realizată şi
achizitionată pe baza unui Caiet de Sarcini întocmit de autoarea tezei de doctorat [64, 65].
.
Figura 2.1. InstalaŃia MultifuncŃională de Depunere a Straturilor SubŃiri în Vid (IM-DSSV)
2.2.. Microscopia de forŃă atomică (Atomic Force Microscopy – AFM) utilizată la evaluarea rugozităŃii şi dimensiunii grăunŃilor de cristalizare ale straturilor subŃiri
Microscopia de forŃă atomică (Atomic Force Microscopy – AFM) este un caz
particular al microscopiei de scanare cu sondă/ probă (Scanning Probe Microscopy), utilizată
pentru a evalua şi prezenta topografia suprafeŃei la scală nanometrică pe baza forŃelor atomice
ce apar între un vârf de probă piramidal, fixat de o consolă foarte elastică (denumită
cantilever) şi suprafaŃa investigată. AFM este un echpament de cercetare indispensabil în
caracterizarea topografică a suprafeŃei straturilor subŃiri, adică în determinarea parametrilor de
profil ai suprafeŃei pe baza imaginilor AFM, care se împart în 4 categorii [73]:
1. Parametrii de amplitudine sau de înălŃime sunt parametrii ce caracterizează topografia
suprafeŃei şi sunt determinaŃi cu mare precizie prin AFM. Din măsuratorile AFM de
amplitudine se extrage unul dintre cele 10 tipuri de rugozităŃi: media aritmetică a înălŃimilor
Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)
cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
18 CAPITOLUL 2: Date tehnice generale privind metodele, echipamentele şi materialele,
utilizate la realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri tribologice
(zm/ Arithmetic average height); Rugozitatea medie (Ra/ Average Roughness); eroarea
pătratică medie a rugozităŃii (RMS/ Rq/ Root Mean Square Roughnes), etc., [74, 75] din care
doar rugozitatea medie este cel mai utilizat parametru.
2. Parametrii de spaŃiere pe orizontală a formaŃiunilor cristaline (grăunŃilor de
cristalizare), bazaŃi pe măsurătorile pe orizontală dintre formaŃiunile cristaline, din care fac
parte: Numărul de picuri pe unitatea de lungime (number of pick in the profile), Pragul de
numărare a picurilor (Ra este luat ca prag de numărare a picurilor); Densitatea picurilor
(Pick Count/Pc); etc. În practică este preferată evaluarea dimensiunii grăunŃilor de cristalizare
prin determinarea lărgimii maxime la semiînalŃime a picurilor (FWHM - Full With Half
Maximum) [76].
3. Parametrii hibrizi sunt o combinaŃie între parametrii de amplitudine şi parametrii de
spaŃiere pe orizontală.
4. Parametrii funcŃionali sau statistici, care dau informaŃii despre structura suprafeŃei,
redată prin histograme, din care mai importanŃi sunt indicii de asimetrie (Skewness) şi de
aplatizare (Kurtosis) utilizaŃi în mod frecvent în statistică [77].
2.3. Spectrometria de retroîmpraştiere Rutherford (Rutherford Backscatteing
Spectrometry/RBS) utilizată la evaluarea compoziŃiei şi grosimii straturilor subŃiri
Spectrometria de retroîmpraştiere Rutherford (RBS) este o tehnică nucleară de analiză
de mare sensibilitate a materialelor – în general, respectiv a straturilor subŃiri – în special. şi
este bazată pe interacŃia fasciculelor de ioni aceleraŃi cu materia, respectiv pe ciocnirea
elastică dintre ionii de bombardament şi nucleele atomilor de material, care se pot afla în
primul strat atomic sau într-unul din straturile atomice interioare în care are loc ciocnirea [81].
Fasciculul de ioni de bombardament este compus din ioni (uzual ioni de: H+; 4He+;
7Li+), particule alfa (He2+) sau protoni. RBS apare atunci când ionii acceleraŃi la energii de 0,5
MeV - 4 MeV sunt deviaŃi electrostatic şi detectaŃi la un unghi obtuz (teoretic: 00 < θ < 1800;
optim: 1600 < θ < 1700) de către câmpul electrostatic repulsiv al nucleului atomic.
2.4. Indentarea utilizată la evaluarea caracteristicilor mecanice
(duritate şi modul de elasticitate) ale materialelor
Evaluarea proprietăŃilor mecanice esenŃiale ale straturile subŃiri, se face prin măsurarea
a 2 caracteristici mecanice ale materialelor şi anume duritatea (H) şi modulul de elasticitate
Young (E) cu ajutorul tehnicii de indentare, iar pe baza acestora se determină: indicele de
elasticitate (H/E) şi rezistenŃa la deformare plastică (H3/E2) a acestora.
Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)
cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
19 CAPITOLUL 2: Date tehnice generale privind metodele, echipamentele şi materialele,
utilizate la realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri tribologice
Indentarea/ amprentarea, ca metodă de determinare a durităŃii şi modulului de
elasticitate al unui material, foloseşte standardul ISO (nr. 14577-1/2002, ce se aplică la toată
aparatura de indentare produsă şi livrată de CSM Instruments din ElveŃia, precum şi la
diferitele tehnici de indentare.
Determinarea valorilor pentru Duritate (HIT) şi Modul de Elasticitate (EIT) prin Testul
de Indentare se face pe baza dimensiunilor amprentei lăsate de un indentor în materialul plan
(proiecŃia ariei de contact = Ap şi adâncimea maximă a amprentei = hm) şi a forŃei de
amprentare/ indentare (Fm). În funcŃie de grosimea materialului sau a stratului subŃire a cărui
duritate şi modul de elasticitate trebuie investigate au fost dezvoltate următoarele tehnici de
indentare, divizate pe baza domeniului de variaŃie al grosimii stratului de investigat:
1. Tehnica macro-indentării, aplicabilă straturilor foarte groase (de ordinul milimetrilor) sau
materialelor brute, la care se utilizează forŃe de apăsare în domeniul: 2 N < F < 30 N;
2. Tehnica micro-indentării, aplicabilă straturilor subŃiri cu grosimea h > 200 nm, când forŃa
de apăsare pentru indentare este sub 2 N (F < 2 N);
3. Tehnica nano-indentării, aplicabilă straturilor foarte subŃiri cu grosime de la ordinul
nanometrilor şi până la sute de nanometrii (1 nm < h < 200 nm).
2.5. Testul de zgâriere (scratch test) utilizat la evaluarea caracteristicilor mecanice
(aderenŃă) pentru straturile subŃiri tribologice Testul de zgâriere (scratch test) se bazează pe standardul ASTM C 1624 (Standard Test
Method for Adhesion Strength and Mechanical Failure Modes of Ceramic Coatings by
Quantitative Single Point Scratch Testing) şi este utilzat pentru determinarea rezistenŃei de
aderenŃă (adhesion strength) la substrat şi a modurilor de rupere (failure mods) a acoperirilor
ceramice pe substrat din metal sau din materiale ceramice. Standardul stabileşte în detaliu
terminologia utilizată, procedura de lucru, calibrările necesare pentru efectuarea corectă a
măsurătorilor, precum şi limitările de utilizare ale metodei.
În testul de zgâriere se foloseşte un vârf (stylus) de diamant cu o anumită geometrie care
este mişcat pe suprafaŃa probei cu o anumită viteză şi cu o anumită forŃă de apăsare, ce supune
materialul la un process de deformare prin comprimare, combinat cu un proces de frecare
dinamică. ForŃa (sarcina) de apăsare pe întreaga durată a testului poate să: a) fie menŃinută
constantă (Constant Load/ CL); b) crească progresiv (Progresiv Load/ PL); c) crească în
trepte (Incremental Load/ IL). AderenŃa la substrat a filmului (sau coeziunea dintre
substraturile componente ale peliculei) este calculată de softul aparatului şi redată prin
valorile pentru sarcinile critice (critical loads) LC1, LC2 şi LC3. Astfel cu:
Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)
cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
20 CAPITOLUL 2: Date tehnice generale privind metodele, echipamentele şi materialele,
utilizate la realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri tribologice
• LC1 - se notează sarcina de apăsare la care apar primele fisuri/ crackings (first cracks
named and Hertzian cracks) pe marginea şanŃului de zgâriere în forma literei V.
• LC2 - se notează sarcina de apăsare la care apar primele detaşări (chipping) la interfaŃa
film-substrat, împreună cu fisurile din şanŃul de zgâriere cu rol catastrofic asupra peliculei
(catastrophic failure).
• LC3 - se notează sarcina de apăsare la care apar aşchii severe (coarse chips) sau aşa
numitele fisuri concoidale (conchoidal cracks).
2.6. Evaluarea uzurii şi a coeficientului de frecare pentru cuplele de frecare cu ajutorul tribometrului tip pin pe disc sau bilă pe disc
Frecarea, exprimată valoric prin coeficientul de frecare şi uzură produsă în timp
(cantitatea de material îndepartat de pe obiectele supuse frecării) şi masurată prin metoda
tribometrului (pin/ bila-pe-disc) este problema esenŃială a tutror sistemelor mecanice, care
conduce la distrugerea prematură a acestora şi din acest motiv este necesară cunoaşterea şi
monitorizarea acesteia. Metodele Pin/ Ball-on-Disc se bazează pe standardele DIN 50 324 şi
ASTM G 99 - 95a şi constau dintr-un pin sau o bilă staŃionară/ fixă aflată în contact ferm (cu o
forŃă de apăsare Fn) cu o masă rotitoare pe care se află fixată piesa de studiat,. Raportul dintre
forŃa tangentială (FT) care deflectează braŃul elastic ce susŃine bila/ ştiftul şi forŃa normală de
apăsare (Fn) dă valoarea coeficientului de frecare, iar volumul de material îndepărtat este
calculat în urma evaluării profilului de uzură realizat de bilă/ ştift în probă, folosind formula:
Vtrack = A · L, (2-6), unde: Vtrack = volumul de material îndepărtat; A = aria secŃiunii
transversale a urmei lăsate de bilă/ ştift; L = lungimea totală a traseului parcurs de bilă/ ştift.
2.7. Alte echipamente utilizate pentru caracterizarea probelor
Verificarea la coroziune a probelor din W-C-Ti şi W-C-Ti-N s-a realizat cu
echipamentul de măsurare a coroziunii existent la Universitatea Transilvania din Braşov.
Grosimea depunerilor a fost măsurată în timpul procesului de depunere folosind
controlerul Infincon cu microbalanŃă cu cristale de cuart, tip SQC 310C, echipat cu 4 cristale
de cuarŃ, pentru monitorizarea grosimii depunerii realizată de fiecare magnetron şi apoi
verificată prin RBS (la IFIN-HH) şi SEM (la INCDFM).
Pentru evidenŃierea grafică a structurii straturilor foarte complexe (de exemplu cu 5
pachete de straturi repetitive cu compoziŃie variabilă – proba 32) şi pentru evaluarea grosimii
acestora s-a utilizat Microscopul electronic cu baleiaj, tip SEM-FIB (TESCAN Lyra 3 FEG),
existent la Institutul National de Cercetare-Dezvoltare pentru Fizica Materialelor (INCDFM).
Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)
cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
21 CAPITOLUL 3: Cercetări experimentale pentru evaluarea capabilităŃilor tehnice
ale instalaŃiei utilizată la realizarea acoperirilor tribologice din cadrul tezei
CAPITOLUL 3
3. Cercetări experimentale pentru evaluarea capabilităŃilor tehnice ale instalaŃiei utilizată la realizarea acoperirilor tribologice din cadrul tezei
3.1. Timpi de vidare, vid limită şi neetanşeitate cameră tehnologică
A. EvoluŃia în timp a vidului în camera tehnologică echipată complet şi utilizată
pentru depuneri, la vidarea acesteia este prezentată în Tabelul 3.1.
Tabelul 3.1. EvoluŃia în timp a vidului în camera tehnologică
Timp Minute]
Presiune [mbar]
Timp Minute]
Presiune [mbar]
Timp [Minute]
Presiune [mbar]
Timp [Minute]
Presiune [mbar]
Timp [Minute]
Presiune [mbar]
2 30 20 1,8 · 10-5
44 7,2 · 10-6
64 4,7 · 10-6
91 3,3 · 10-6
4 3 22 1,6 · 10-5 45 7,0 · 10-6 66 4,6 · 10-6 94 3,2 · 10-6
6 1,1 24 1,4 · 10-5
47 6,7 · 10-6
67 4,5 · 10-6
97 3,1 · 10-6
6,50 1 26 1,3 · 10-5 48 6,5 · 10-6 68 4,4 · 10-6 100 3,0 · 10-6
7 2,0 · 10-1
27 1,2 · 10-5
51 6,3 · 10-6
70 4,3 · 10-6
104 2,9 · 10-6
8 3,5 · .10-4 29 1,1 · 10-5 52 6,0 · 10-6 71 4,2. · 0-6 108 2,8 · 10-6
9 1,5 · 10-4
31,3 1,0 · 10-5
53 5,8 · 10-6
73 4,1 · 10-6
112 2,7 · 10-6
10 8,0 · 10-5
33 9,7 · 10-6
55 5,6 · 10-6
75 4,0 · 10-6
117 2,6 · 10-6
11 6,0 · 10-5 36 9,0 · 10-6 56 5,5 · 10-6 77 3,9 · 10-6 122 2,5 · 10-6
12 4,3 · 10-5
38 8,4 · 10-6
58 5,3 · 10-6
79 3,8 · 10-6
129 2,3 · 10-6
14 3,1 · 10-5 40 8,0 · 10-6 60 5,1 · 10-6 81 3,7 · 10-6 142 2,2 · 10-6
16 2,5 · 10-5
41 7,7 · 10-6
61 5,0 · 10-6
83 3,6 · 10-6
150 2,1 · 10-6
17 2,3 · 10-5 42 7,6 · 10-6 62 4,9 · 10-6 86 3,5 · 10-6 159 2,0 · 10-6
18 2,0 · 10-5
43 7,4 · 10-6
63 4,8 · 10-6
88 3,4 · 10-6 1200(20h) 3,0 · 10
-7
B. EvoluŃia în timp a scăderii vidului în spaŃiul tehnologic de la oprirea
echipamentului de vidare (în perioada tranzitorie de oprire a pompei turbomoleculare de la
primirea comenzii de oprire) este prezentată în tabelul alăturat (Tabelul 3.2).
Tabelul 3.2. EvoluŃia în timp a scăderii vidului în camera tehnlogică
Timp [Minute]
Presiune [mbar]
Oprire sistem de vidare
0 4,4. · 10-6
Perioada tranzitorie de oprire a pompei turbomoleculare
1 4,3 · 10-6
4 4,5 · 10-6
5 4,8 · 10-6
6 4,4 · 10-4
8 8,0 · 10-3
10 2,8 · 10-2
C. EvoluŃia în timp a degazărilor şi neetanşeităŃilor în spaŃiul tehnologic la izolarea
accestuia de sistemul de vidare este prezentată în Tabelul 3.3.
Pe baza datelor din tabel se determină debitul de scăpări în spaŃiul tehnologic, care determină
creşterea presiunii: sec
1059,0sec6020
50)028,0...17,0( 2 l
mbarlitri
mbart
VpQ ⋅⋅=
⋅⋅=⋅∆=
−
Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)
cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
22 CAPITOLUL 3: Cercetări experimentale pentru evaluarea capabilităŃilor tehnice
ale instalaŃiei utilizată la realizarea acoperirilor tribologice din cadrul tezei
Tabelul 3.3. EvoluŃia în timp a degazărilor şi neetanşeităŃilor în camera tehnologică
Timp [Minute]
Presiune [mbar]
Timp [Minute]
Presiune [mbar]
Timp [Minute]
Presiune [mbar]
0 2,8 · 10-2 10 1,0 · 10-1 22 1,8 · 10-1
2 4,6 · 10-2 11 1,1 · 10
-1 24 1,9 · 10-1
4 6,0 · 10-2 12 1,2 · 10-1 25 2,0 · 10-1
5 6,7 · 10-2 14 1,3 · 10
-1 27 2,8 · 10-1
6 7,4 · 10-2 15 1,4 · 10-1 29 2,9 · 10-1
7 8,1 · 10-2 17 1,5 · 10-1 31 3,0 · 10-1
8 8,7 · 10-2 18 1,6 · 10
-1 32 3,1 · 10-1
9 9,5 · 10-2 20 1,7 · 10-1 34 3,2 · 10-1
3.3. Domeniul teoretic şi practic de lucru al magnetroanelor
Domeniul de echilibru al presiunilor de lucru, respectiv domeniul de stabilitate al
vidului dinamic în spaŃiul tehnologic este prezentat în tabel cu galben aprins si acesta este
domniul practic de lucru al magnetroanelor, iar cu galben pal este reprezentat domeniul de
presiune parŃial stabilizată.
Tabelul 3.4. Domeniul practic de lucru pentru magnetroanlele tip ONYX-2™
Debit gaz (QAr)
[cm3/min] Presiune [mbar]
Debit gaz (QAr)
[cm3/min] Presiune [mbar]
Debit gaz (QAr) [cm3/min]
Presiune [mbar]
0,5 5.0 · 10-6 110 3,3 · 10-3 390 1,6 · 10-2
1 3,7 · 10-5
120 3,4 · 10-3
400 1,8 · 10-2
2 1,1 · 10-4 131 3,5 · 10-3 410 1,9 · 10-2
3 1,8 · 10-4 140 3,6 · 10-3 420 2,1 · 10-2
4 2,6 · 10-4
150 3,7 · 10-3
440 2,5 · 10-2
5 3,5 · 10-4 160 3,8 · 10-3 450 2,7 · 10-2
10 4,1 · 10-4
180 4,1 · 10-3
470 3,1 · 10-2
15 7,4 · 10-4 200 4,0 · 10-3 480 3,3 · 10-2
20 9,5 · 10-4
220 3,7 · 10-3
490 3,5 · 10-2
25 1,3 · 10-3 240 4,4 · 10-3 500 3,8 · 10-2
30 1,4 · 10-3 250 4,8 · 10-3 510 4,0 · 10-2
40 1,7 · 10-3
310 7,3 · 10-3
540 5,1 · 10-2
50 2,0 · 10-3 320 8,2 · 10-3 550 5,6 · 10-2
60 2,4 · 10-3
330 9,4 · 10-3
560 6,0 · 10-2
70 2,6 · 10-3 340 1,0 · 10-2 570 6,6 · 10-2
80 2,8 · 10-3
350 1,1 · 10-2
580 7,2 · 10-2
90 3,0 · 10-3
360 1,3 · 10-2
600 8,3 · 10-2
100 3,2 · 10-3 380 1,5 · 10-2 620 1,0 · 10-1
Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)
cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
23 CAPITOLUL 4: Cercetări experimentale pentru determinarea ratelor de depunere prin pulverizare
magnetron ale materialelor de interes la realizarea acoperirilor tribologice
CAPITOLUL 4
4. Cercetări experimentale pentru determinarea ratelor de depunere prin pulverizare magnetron ale materialelor de interes la realizarea acoperirilor tribologice
4.1. Date tehnologice pentru depunerea Ti, W, TiB2 şi WC
Rata de depunere prin pulverizare (Rdp) pentru principalele materiale utilizate în cadrul
experimentărilor a fost măsurată cu microbalanŃa cu cristale de cuarŃ, reprezentată de
controlerul SQC 320 de la INFINCON, descris anterior şi prezentată în: Fig. 4.1 şi Fig. 4.2.
Rdp [A/S]
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
Pu [W
]
0
20
40
60
80
100
120
Debit Ar: 50 cm3/min
Debit Ar: 100 cm3/min
Debit Ar: 150 cm3/min
Debit Ar: 200 cm3/min
Rdp [A/s]
0 2 4 6 8 10 12 14
Pu [W
]
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Debit Ar: 50 cm3/min
Debit Ar: 100 cm3/min
Debit Ar: 150 cm3/min
Debit Ar: 200 cm3/min
a. Ti b. W
Rdp [A/s]
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
Pu [W
]
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Debit Ar: 50 cm3/min
Debit Ar: 100 cm3/min
Debit Ar: 150 cm3/min
Debit Ar: 200 cm3/min
Rdp [A/s]
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5
Pu [W
]
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Debit Ar: 50 cm3/min
Debit Ar: 100 cm3/min
Debit Ar: 150 cm3/min
Debit Ar: 200 cm3/min
c. TiB2 d. WC
Figura 4.1. Ratele de depunere prin pulverizare magnetron pentru Ti (a); W (b); TiB2 (c) şi WC (d)
la debite ale gazului de bomardament (Ar) de: 50; 100; 150 şi 200 cm3
/ min
În Figura 4-2 este prezentat un exemplu de afişare a puterii consumate şi a ratei de
depunere prin pulverizare magnetron, pentru o Ńintă de Ti, montată pe magnetronul 4.
Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)
cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
24 CAPITOLUL 4: Cercetări experimentale pentru determinarea ratelor de depunere prin pulverizare
magnetron ale materialelor de interes la realizarea acoperirilor tribologice
Figura 4.2. RTi = 3,97 Å/s la Pcomsumata = 50% · Pmax= 300 W
Rata de depunere pentru Ti, măsurată cu microbalanŃa cu cristal de cuarŃ (SQC 310C),
pentru o putere de alimentare a sursei magnetron setata la 50% · Pmax = 0,5.600 = 300W
4.2. Experimentări tehnologice pentru stabilirea domeniului de variaŃie al presiunilor de lucru şi al ratelor de depunere pentru următoarele materiale uzuale
simple: Ti, Al, C, utilizabile pentru obŃinerea de straturi lubrifiante uscate prin pulverizare magnetron standard în cc
Pentru depunerea grafitului s-a utilizat pulverizarea magnetron în cc, pentru care se
dau datele din Figura 4.3.
Figura 4.3. VariaŃia ratei de depunere – R (Å/s ) - la C, funcŃie de
puterea injectată în plasmă – Pu (W) pentru diferite debite de gaz de gaz de lucru
(70; 80; 100; 120 cm3/min), respectiv presiuni
Rdp [A/s]
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
Pu [W]
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Debit Ar: 60 cm3/min
Debit Ar: 70 cm3/min
Debit Ar: 80 cm3/min
Debit Ar: 100 cm3/min
Debit Ar: 120 cm3/min
Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)
cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
25 CAPITOLUL 5: Cercetări experimentale privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri
tribologice, nanometrice şi complexe, cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
CAPITOLUL 5
5. Cercetări experimentale privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri tribologice, nanometrice şi complexe, cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
5.1. Straturi tribologice pe bază de carbură de wolfram (WC), cu compoziŃie binară (W-C), ternară (W-C-N, W-C-Ti) şi cuaternară (W-C-Ti-N),
obŃinute prin pulverizare magnetron de tip standard sau reactiv, din Ńinte de pulverizare comerciale din WC dopate cu N2 şi/ sau Ti
Carbura de wolfram prezintă un mare interes în realizarea acoperirilor tribologice
performante, iar caracteristicile fizico-chimice esenŃiale ale acesteia au fost prezentate în
capitolul 2.10.3. Pornind de la datele prezentate anterior, în această lucrare s-au determinat
parametrii tehnologici de realizare prin pulverizare magnetron şi de caracterizare:
morfologică, structurală, compoziŃională, mecanică, electrică şi rezistenŃă la coroziune a
straturilor tribologice pe baza de carbură de wolfram cu compoziŃie:
1) binară W-C, realizată prin pulverizarea magnetron standard în cc a Ńintelor de WC;
2) ternară: a) W-C-N, realizată prin pulverizarea magnetron de tip reactiv (folosind N2
drept gaz reactiv) în cc a Ńintelor de WC;
b) W-C-Ti, realizată prin pulverizarea magnetron standard în cc, a Ńintelor
de WC şi Ti, în mod simultan;
3) cuaternară W-C-Ti-N, realizată prin pulverizarea magnetron de tip reactiv (folosind
N2 drept gaz reactiv) în cc, a Ńintelor de WC şi Ti, în mod simultan.
Rezultatele acestui studiu sunt publicate in 2 articole ISI, prezentate în Lista din Cap. 6.2.2.
5.1.1. Parametrii tehnologici de realizare a structurilor binare, ternare şi cuaternare pe
bază de WC şi caracteristicile morfologice ale acestora, evaluate prin AFM
Straturile binare, ternare şi cuaternare pe bază de WC au fost realizate folosind
pulverizarea magnetron de tip standard sau reactiv (utilizând N2 ca gaz reactiv) a Ńintelor de
WC (pentru structurile binare şi ternare) şi a Ńintelor din WC şi Ti pentru structurile
cuaternare, iar parametrii tehnologici de realizare sunt prezentaŃi sintetic în Tabelul 5.1.
Pentru stabilirea parametrilor tehnologici de realizare a structurilor binare, ternare şi
cuaternare pe bază de WC şi a caracteristicilor morfologice ale acestora s-au realizat 18 probe,
la diferiŃi parametrii tehnologici (plucru, QAr, QN2, TempSubstrat, Upolarizare, Umag şi Imag), astfel:
– 6 probe pentru structuri binare, tip W-C, cu numerele: 1, 2, 4, 6, 8 şi 10;
– 5 probe pentru structuri ternare, tip W-C-N, cu numerele: 3, 5, 7, 9 şi 11;
– 3 probe pentru structuri ternare, tip W-C-Ti, cu numerele: 14, 15 şi 17;
– 4 probe pentru structuri cuaternare, tip W-C-Ti-N, cu numerele: 12, 13, 16 şi 18.
Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)
cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
CAPITOLUL 5: Cercetări experimentale privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri tribologice, nanometrice şi complexe, cu aplicaŃii în tehnologia
materialelor avansate
26
Tabelul 5.1. InfluenŃa parametrilor procesului de depunere asupra rugozităŃii şi dimensiunii grăunŃilor la acoperirile tribologice pe bază de WC
Nr. probă
Parametrii procesului de depunere Rezultate
Material Ńintă
pulverizare (Gun)
Debit gaz Presiune de lucru
[hPa]
Parametrii substrat Parametrii plasmă
magnetron
Timp depunere
[minute]
Rată de depunere*
[Å/s]
Grosimeestimată
[nm]
Materialul depus
Rugozitate** (AR) pentru suprafata investigată de:
Dimensiune grăunŃi**
(GS)
[nm]
Ar N2 Temperatură [°C]
Tensiune polarizare
[kV]
Tensiune [V]
Curent [mA]
2,5µm2 [nm]
5µm2 [nm] cm3/min
0 Substrate - - - - - - - - - - - 0,20 0,40 - 1 WC 100 0 2,9-2,95 ·10-3 50 0 568-548 119-118 10 4,40-4,00 252 WxCy 0,50 0,66 1,21 2 WC 100 0 2,9-2,95 ·10-3 50 0,6 567-552 118-117 10 4,40-4,00 252 WxCy 0,33 1,40 1,09 3 WC 100 20 2,95-3 · 10-3 50 0,6 569-547 118-117 18 4,40-3,90 448 WxCyNz 0,69 0,90 3,13 4 WC 100 0 2,9-2,95 ·10-3 450 0 581-577 118-116 15 4,40-4,00 378 WxCy 0,37 0,60 1,30 5 WC 100 40 2,95-3 · 10-3 550 0,4 585-571 117-116 20 4,20-3,80 480 WxCyNz 2,73 9,07 11,00 6 WC 300 0 5,4-5,6 · 10-3 50 0 459-430 119-118 30 4,10-3,70 702 WxCy 1,56 6,23 8,62 7 WC 300 60 1,4-1,5 · 10-2 50 0,5 469-466 119-118 30 4,00-3,60 684 WxCyNz 1,59 0,77 18,10 8 WC 300 0 5,4-5,6 · 10-3 550 0 469-443 118-117 30 4,10-3,70 702 WxCy 0,54 0,92 2,64 9 WC 300 60 1,4-1,5 · 10-2 550 0,5 464-463 118-117 30 4,00-3,60 684 WxCyNz 0,41 0,82 1,80 10 WC 300 0 5,4-5,7 · 10-3 250 0 452-441 118-116 30 4,10-3,70 702 WxCy 0,59 1,53 4,00 11 WC 300 60 1,4-1,5 · 10-2 250 0,5 473-468 118-117 30 4,00-3,60 684 WxCyNz 0,33 0,61 2,25
12 WC-Gun1 Ti-Gun4
100 40 2,6-2,9 · 10-3 550 0,5 563-555 292-288
118-117 24-23
35 - - WxCyTizNv 0,23 1,14 3,90
13 WC-Gun1 Ti-Gun4
100 40 2,6-2,9 · 10-3 50 0,5 570-565 300-292
118-117 25-24
30 - - WxCyTizNv 0,47 0,84 2,25
14 WC-Gun1 Ti-Gun4
100 0 3,0-3,1 · 10-3 550 0,5 568-560 308-300
118-117 26-24
30 - - WxTiyCz 0,24 0,98 2,75
15 WC-Gun1 Ti-Gun4
100 0 2,8-3,0 · 10-3 45 0,5 530-522 298-292
118-117 28-26
40 - - WxTiyCz 0,25 0,47 1,60
16 WC-Gun1 Ti-Gun4
100 80 2,8-2,7 · 10-3 50 0,5 600-595 280-272
176-170 14-13
24 - - WxTiyCzNv 0,67 1,91 3,20
17 WC-Gun1 Ti-Gun4
100 0 2,9-3,0 · 10-3 28 0,2 450-443 288-280
50-48 14-13
60 - - WxTiyCz 0,76 1,14 6,85
18 WC-Gun1 Ti-Gun4
100 40 2,8-2,9 · 10-3 35 0,3 510-502 260-253
80-77 7-6
60 - - WxCyTizNv 0,68 0,87 3,20
* măsurat in-situ cu MicrobalanŃă cu Cristal de CuarŃ; **Măsurat prin Microscopie de ForŃă Atomică (AFM)
Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)
cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
27 CAPITOLUL 5: Cercetări experimentale privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri
tribologice, nanometrice şi complexe, cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
Pentru evaluarea caracteristicilor morfologice ale probelor (rugozitatea şi dimensiunea
grăunŃilor de cristalizare – prezentate în tabelul 5.1) s-a utilizat analiza prin Microscopie de
ForŃă Atomică (AFM) , iar rezultatele obŃinute sunt prezentate în Figura 5.2.
Proba
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Ru
go
zit
ate
a [
nm
]
0
2
4
6
8
10
Rugozitatea pe 2,5 um2
Rugozitatea pe 5 um2
Proba
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Dim
en
siu
ne
a g
rau
nti
lor
[nm
]
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
a. b.
Figura 5.2. a, b. Rugozitatea probelor evaluate pe 2,5 µm2; 5 µm
2 (a)
Dimensiunea grăunŃilor de cristalizare (b)
5.2. Realizarea şi caracterizarea din punct de vedere morfologic, structural,
compoziŃional, mecanic şi tribologic a straturilor subŃiri tribologice, complexe, realizate prin pulverizare magnetron de tip standard sau reactiv,
din 3 materiale de baza (Ńinte de pulverizare): Ti; TiB2 şi WC
5.2.1. Realizarea şi caracterizarea morfolgică şi compozitională a straturilor tribologice cu compoziŃie pseudoternară (Ti/TixNy; TiB2/TixByNz; WC/WxCyNz ) respectiv cuaternară
(Ti-B-W-C) şi pentanară (Ti-B-W-C-N) constantă, pornind de la 3 materiale de bază (Ńinte de pulverizare): Ti; WC şi TiB2
5.2.1.1. Parametrii tehnologici de realizare a straturilor tribologice cu compoziŃie
pseudoternară (respectiv cu compoziŃie cuaternară şi pentanară) constantă Pentru realizarea straturilor tribologice cu compoziŃie pseudoternară (Ti/TixNy;
TiB2/TixByNz; WC/WxCyNz), respectiv cuaternară (Ti-B-W-C) si pentanară (Ti-B-W-C-N), s-au
realizat probele: 38, 27, 29, 26,, 28 şi 25 pentru care s-au utilizat parametrii de proces
prezentaŃi în Tabelul 5.10. Rezultatele complete ale acestui studiu sunt publicate în 3 aricole
ISI ce sunt prezentate în Capitolul 6.2.2. După cum rezultă şi din tabel s-au realizat 6 probe cu
compoziŃie pseudo-ternară (Ti/TixNy - TiB2/ TixByNz - WC/ WxCyNz), respectiv cu compoziŃie
cuaternară (Ti-B-W-C proba 1) şi pentanară (Ti-B-W-C-N; probele 2, 3, 4, 5 şi 6), având
structură de strat unic (probele: 1 şi 2) sau de multistrat (probele: 3 şi 4, realizate cu 3
straturi, iar 5 şi 6, realizate din 5 pachete repetitive a câte 3 straturi fiecare).
Tabelul 5.10. Parametrii de proces pentru realizarea straturilor tribologice cu compoziŃie
pseudoternară (respectiv cu compoziŃie cuaternară şi pentanară) constantă
Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)
cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
CAPITOLUL 5: Cercetări experimentale privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri
tribologice, nanometrice şi complexe, cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
28
Nr.
pro
bă
Mat
eria
l Ńi
ntă
Strat depus
Debit gaze de lucru [cm3/ min]
Presiune [mbar]
Putere injectată în plasma [%·Pmax]
Rată de pulverizare estimată
[A/s]
Tim
p de
pun
ere
[m
in]
Grosime estimată
[nm] Ar N2
1 (38)
Ti TiB2 WC
1x [Ti +TiB2 +WC]
(W-C-Ti-B) strat unic fără N2
150
0
3,2x10-3
15 30 30
(0,4- 1,0)+ (0,2- 0,8)+ (0,8- 1,2)
30
180-450+ 90-360+ 360-540= 530-900
2 (27)
Ti TiB2 WC
1x [TixNy+TixByNz+WxCyNz]
(W-C-Ti-B-N)
strat unic cu N2
150
40
3,5x10-3
15 30 30
(0,4- 1,0)+ (0,2- 0,8)+ (0,8- 1,2)
30
60 -150+ 30- 120+ 120-180= 210…450
3 (29)
Ti TiB2 WC
1x [TixNy/TiB2/WC] (W-C-Ti-B-N)
multistrat, 1 pachet, cu N2 la Ti
100 150 150
40 0 0
3,5x10-3
3,4x10-3
3,4x10-3
15 30 30
0,4 - 1,0 0,2 - 0,8 0,8- 1,2
25 25 25
60…150+ 30…120+ 120…180=210-450
4 (26)
Ti TiB2 WC
1x [TixNy/TixByNz/WxCyNz]
(W-C-Ti-B-N)
multistrat, 1 pachet, cu N2 la toate Ńintele
100 150 150
40 40 40
2,8x10-3
3,1x10-3
3,1x10-3
15 30 30
0,4 - 1,0 0,2 - 0,8 0,8- 1,2
25 25 25
60 …150 30 … 120 120…180 210…450
5 (28)
Ti TiB2 WC
5 x [TixNy/TiB2/WC] (W-C-Ti-B-N)
multistrat, 5 pachete, cu N2 la Ti
100 150 150
40 0 0
3,5x10-3
3,4x10-3
3,4x10-3
15 30 30
0,4 - 1,0 0,2 - 0,8 0,8- 1,2
25 25 25
60…150+ 30…120+ 120…180=210-450
6 (25)
Ti TiB2 WC
5x [TixNy/TixByNz/WxCyNz]
(W-C-Ti-B-N)
multistrat, 5 pachete, cu N2 la toate Ńintele
100 150 150
40 40 40
2,8x10-3
15 30 30
(0,4- 1,0)+ (0,2- 0,8)+ (0,8- 1,2)
25 25 25
60 -150+ 30- 120+ 120-180= 210…450
5.2.1.2. Caracterizarea morfologică şi compoziŃională a straturilor tribologice cu compoziŃie pseudoternară constantă (respectiv cu compoziŃie cuaternară şi pentanară)
Pentru caracterizarea morfologică a straturilor depuse s-a utilizat microscopia de forŃă
atomică. DistribuŃia dimensiunii particulelor redată în histogramele asociate imaginilor AFM
(obŃinute cu softul SPIP 6.0.9) şi prezentate în Figura 5.10.a; b; c – din Teză, arată că
diametrul mediu al particulelor este de: 10 - 40 nm pentru proba 1; 10 - 80 nm la proba 2; 1-
10 nm pentru proba 3; 30 nm pentru proba 4. Rugozitatea medie şi Dimensiunea medie a
grăunŃilor de cristalizare sunt prezentate sintetic în Figura 5.12.
Proba
1 2 3 4 5 6
Ru
go
zit
ate
[n
m}
0
1
2
3
4
5
6
7
Proba
1 2 3 4
Dim
en
siu
ne
a g
rau
nti
lor
de
cri
sta
liza
re [
nm
}
0
10
20
30
40
50
60
Figura 5.12. Rugozitatea medie şi Dimensiunea medie a grăunŃilor de cristalizare
evaluate prin AFM
Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)
cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
CAPITOLUL 5: Cercetări experimentale privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri
tribologice, nanometrice şi complexe, cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
29
Caracterizarea compoziŃională a straturilor depuse a fost efectuată prin metoda
spectrometrică de retroîmprăştiere Rutherford (Rutherford Backscattering Spectrometry/
RBS). În cazul acestei lucrări s-a utilizat un fascicul monoenergetic de ioni de heliu (He+2
) de
3 MeV pentru primele 2 probe şi de 4 MeV pentru restul probelor, obŃinute la acceleratorul de
3 MV tip Tandentron, xistent la IFIN-HH. Rezultatele investigatiei prin RBS pentru cele 6
probe sunt prezentate în Figura 5.11.a ... f.
a. Proba 1(38) b. Proba 2(27) g = 190 nm; W
0.35C
0.23Ti
0.12B
0.25 g = 278 nm; W
0.31C
0.2N
0.2Ti
0..09B
0.18
c. Proba 3(29) d. Proba 4(26)
g = 180 nm; Ti0.5
N0.5
/ Ti0.3
B0.7
/ W0.5
C0.5
g = 190 nm; Ti0.3
N0.7
/ Ti0.15
B0.45
N0.4
/ W0.4
C0.3
N0.25
O0.05
e. Proba 5(28) f. Proba 6(25)
g = 394 nm; Ti0.2
N0.8
/ Ti0.12
B0.88
/ W0.11
C0.89
g = 271 nm; Ti
0.5 N
0.5 / Ti
0.2 B
0.6 N
0.2 / W
0.46 C
0.15 N
0.39
Figura 5.11. Spectrul RBS măsurat şi simulat
Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)
cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
CAPITOLUL 5: Cercetări experimentale privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri
tribologice, nanometrice şi complexe, cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
30
5.2.1.4. Caracterizarea mecanică şi tribologică a straturilor tribologice cu compoziŃie pseudo-ternară (respectiv cu compoziŃie cuaternară şi pentanară) constantă
B. Determinarea durităŃii prin indentare, folosind trusa CSM din UTBv
Având în vedere că grosimea acoperirilor pentru cele 6 probe, estimată prin RBS este
sub 500 nm, pentru toate testele de indentare cu trusa CSM s-au folosit sarcini mici pentru a
se evita pătrunderea în substrat. Astfel, pentru proba 1(38) s-au efectuat 8 teste de indentare
cu o forŃăde 0, 5 N; 7 teste cu forŃă de 1 N şi 9 teste având forŃa de indentare de 1,5 N. Pentru
proba 2(27) forŃa de indentare a fost de 1 N pentru cele 7 teste efectuate. Pentru proba 3(29) s-
au efectaut 10 teste de indentare, iar pentru probele 4(26) şi 5(28) câte 6 teste folosind de
fiecare dată o forŃă de 1 N. Pentru ultima probă s-a acŃionat cu o forŃă de indentare de 0,5 N
pentru toate cele 14 teste efectuate. Rezultatele obŃinute sunt prezentate în talelul 5.13.
Table 5.13. Rezultatele şi parametrii testului de indentare
Nr Proba Duritate Modul de elasticitate Rezultate suplimentare
HIT HV EIT Er E* Fmax hmax S hc hr hp [GPa] Vikers [GPa] mN nm mN/nm nm nm nm
1 (38)
12,811 1186,437 201,314 183,623 221,224 0,97 43,99 0,0583 31,99 27,96 18,82
2 (27)
14,627 1354,614 217,714 197,494 239,247 0,93 39,54 0,0580 27,85 23,82 14,66
3 (29)
9,881 915,061 138,534 137,440 155,918 0,60 35,05 0,0396 22,72 19,62 16,70
4 (26)
11,022 1037 174,630 164,310 191,900 0,71 40,78 0,0488 29,82 26,143 18,13
5 (28)
12,138 1124,133 174,65 164,25 191,93 0,78 39,65 0,0485 27,58 23,59 15,07
6 (25)
4,942 456,701 217,905 103,318 122,563 0,27 26,01 0,0306 19,06 16,89 11,41
C. Determinarea aderenŃei (sarcina critică) prin testul de zgâriere (Scratch test)
Rezultatele testului de aderenŃă prin Scratch Test sunt valorile găsite pentru sarcinile
critice: Lc1; Lc2 şi Lc3. Pentru fiecare probă au fost efectuate câte 3 teste de zgâriere, iar
valoarile medii obŃinute sunt prezentate în Tabelul 5.14.
Tabelul 5.14. Rezultatele testului de zgâriere
Nr. probă
Sarcină critică Lc1; Lc2; Lc3/ AderenŃă ForŃă
normală ForŃă de frecare
Adâncime de zgâriere
N N N nm 1
(38) Lc1 = 0,310; Lc2 = 0,830; Lc3 = 5,970 0 – 5 0 – 1,2 1750
2 (27)
Lc1 = 0,620; Lc2 = 1,990; Lc3 = 8,180 0 – 10 0 – 3 3000
3 (29)
Lc1 = 0,203; Lc2 = 0,830; Lc3 = 2,183 0 – 5 0 – 1,2 1750
4 (26)
Lc1 = 0,203; Lc2 = 1,670; Lc3 = 7,413 0 – 10 0 – 3 7000
Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)
cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
CAPITOLUL 5: Cercetări experimentale privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri
tribologice, nanometrice şi complexe, cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
31
5 (28)
Lc1 = 0.447; Lc2 = 1,630; Lc3 = 6,933 0 – 10 0 – 3 19000
6 (25)
Lc1 = 0,277; Lc2 = 0,660; Lc3 = 2,293 0 – 5 0 – 1,2 2500
D. Determinarea coeficientului de frecare prin metoda tribometrului
Testul tribologic pentru determinarea coeficientului de frecare la probele din Tabelul
5.10 s-a realizat cu ajutorul tribometrului pin-pe disc (pin-on-disc tribometer), utilizând
sarcina minimă de 1 N şi o rotaŃie scăzută pentru un timp scurt (22,5 secunde) pentru a nu se
deteriora acoperirea. Rezultatele testului tribologic sunt prezentate în Tabelul 5.15.
Tabel 5.15. CoeficienŃii de frecare obŃinuŃinuŃi în urma testului tribologic
Nr Proba Coeficient de frecare
µ min µ max µ med
1(38) 0,220 0,868 0,759
2(27) 0,262 0,399 0,317
3(29) 0,299 0,609 0,456
4(26) 0,476 0,823 0,684
5(28) 0,334 0,727 0,507
6(25) 0,136 0,207 0,140
5.2.1.5. Concluzii asupra rezultatelor caracterizării mecanice şi tribologice a probelor cu compoziŃie pseudoternară (respectiv cu compoziŃie cuaternară si pentanară) constantă
Sunt prezentate sintetic in Figura 5.18.
Proba
1 2 3 4 5 6
Du
rita
te [
GP
a]
0
2
4
6
8
10
12
14
16
Proba
1 2 3 4 5 6
Mo
du
l d
e e
las
tic
ita
te [
GP
a]
0
50
100
150
200
250
a. Duritate (H) b. Modul de elasticitate (E)
Proba
1 2 3 4 5 6
Ind
ice
de
ela
sti
cit
ate
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
Proba
1 2 3 4 5 6
Re
zis
ten
ta l
a d
efo
rma
re p
las
tic
a [
GP
a]
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
c. Indicele de elasticitate (H/E) d. RezistenŃă la deformare plastică (H
3/E
2)
Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)
cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
CAPITOLUL 5: Cercetări experimentale privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri
tribologice, nanometrice şi complexe, cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
32
Lc1 Lc2 Lc3
Sa
rcin
a c
riti
ca
[N
]
0
2
4
6
8
10
Proba 1
Proba 2
Proba 3
Proba 4
Proba 5
Proba 6
minim mediu maxim
Co
efi
cie
nt
de
fre
ca
re
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Proba 1
Proba 2
Proba 3
Proba 4
Proba 5
Proba 6
e. Sarcină critică (LCi) f. Coeficient de frecare (CF)
Figura 5.18. Prezentarea comparativă a caracteristicilor funcŃionale pentru straturile
tribologice cu compoziŃie pseudo-ternară (respectiv cuaternară şi pentanară) constantă
5.2.2. Realizarea şi caracterizarea morfolgică, compoziŃională, mecanică şi tribolgică a straturilor tribologice cu grosime mărită (peste 1 µm) şi compoziŃie pseudo-ternară
(respectiv cu compoziŃie cuaternară şi pentanară) constantă, pornind de la 3 materiale de bază: WC; TiB2 şi Ti
Pentru probele 27(2) şi 38(1), la care s-au determinat parametrii morfologici şi
compoziŃionali, mecanici şi tribologici s-au reluat experimentările şi s-au realizat probele 52
şi 53 folosind parametrii de proces similari, iar durata depunerii a fost sensibil crescută pentru
a se obŃine probe cu grosimea depunerilor de ordinul micronului, în vederea evaluării
tribologice. Rezultatele complete ale acestui studiu au fost acceptate pentru publicare ca
articol în Applied Surface Science - vezi si Lista articolelor ISI din Capitolul 6.2.2.
5.2.2.1. Parmetrii tehnologici de realizare a probelor
Din datele experimentale anterioare s-a observat că pentru obŃinerea grosimii reale a
depunerii trebuie utilizat un factor de corecŃie/ calibrare (k) cu valori între 3 şi 6, date de
poziŃia cristalului balanŃei faŃă de Ńinta magnetron, respectiv faŃă de substrat.
În Tabelul 5.17 sunt prezentaŃi parametrii tehnologici de realizare a celor 2 probe
realizate şi analizate (52 si 53).
Table 5.17. Parametrii tehnologici ai procesului
Nr, probă
Material Ńintă
Strat depus (compoziŃie)
Debit gaze de lucru [cm3/ min]
Presiune [mbar]
Putere injectată
în plasmă
[%·Pmax]
Rată de pulverizare
(SR) (măsurată cu microbalanŃă
cu cuarŃ) [Å/s]
Timp depunere
(td) [min]
Grosime estimată
Th≈Sr.td/6 [nm]
Putere magnetron
[W]
Ar N2
Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)
cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
CAPITOLUL 5: Cercetări experimentale privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri
tribologice, nanometrice şi complexe, cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
33
1 (52)
WC TiB2
Ti
1x[TixNy+ TixByNz+ WxCyNz]
(W-C-Ti-B-N)
150
40
3,5x10-3
… 5,0x10-3
30 30 15
2,80 - 2,90 2,54 - 2,44 0,70- 0,72
150
427,5+ 373,5+ 106,5= 907,5
87,12 84,39 28,31
2 (53)
Ti TiB2 WC/
1x[Ti + TiB2+ WC]
(W-C-Ti-B)
150
0
3,3x10-3
30 30 15
4,10- 4,60 4,30- 4,36 1,20- 1,30
150
637,5+ 649,5+ 187,5= 1474,5
26,45 95,73 47,52
5.2.2.2. Determinarea compoziŃiei şi grosimii probelor prin analiza RBS Analiza RBS (Rutherford Backscattering Spectrometry) a fost efectuată la
acceleratorul TandetronTM de 3 MV de la IFIN-HH, folosind ioni de 4He2+ la 4.5 MeV.
Particulele retroîmprăştiate, la un unghi de 165°, au fost înregistrate de un detector
conectat la un lanŃ spectrometric de achiziŃie. RezoluŃia tipică în energie a spectrometrului a
fost mai mare de 18 keV. Spectrul RBS a fost evaluat şi interpretat cu ajutorul softului
SIMNRA şi este prezentat în Figura 5.19 pentru ambele probe.
.
a. Proba 52 b.Proba. 53
g = 1350 nm g = 1380 nm W0.15C0.05Ti0.007B0.23N0.5 şi W0.23C0.02Ti0.006B0.3 W0.3C0.2Ti0.16B0.24O0.1
Figura 5.19.a., b. Spectrul RBS măsurat (linie punctată) şi simulat (linie continuă) pentru
ionii de Heliu (He2+
) retroîmprăştiaŃi la 1650 din monostratul depus pe siliciu
5.2.2.3. Determinarea topografiei suprafeŃei straturilor depuse, prin analiză AFM
Rugozitatea medie a probelor a fost evaluată prin metoda AFM, utilizând
echipamentul “MultiMode NanoScope IIID Controller microscope”, aflat în dotarea IFIN-HH
şi echipat cu un scaner piezoelectric de 125 µm, iar rezultatele testului, înainte şi după testul
tribologic sunt prezentate în Figura 5.20- din Teză.
5.2.2.4. Determinarea caracteristicilor mecanice şi tribologice ale probelor
Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)
cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
CAPITOLUL 5: Cercetări experimentale privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri
tribologice, nanometrice şi complexe, cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
34
Măsurătorile de duritate şi tenacitate prin nanoindentare au fost efectuate cu trusa
CSM (aparatul NHT-2) din dotarea UTBv, folosind un vârf de indentare din diamant de tip
Berkovitch. Pentru a se elimina influenŃa substratului asupra măsurătorilor s-au utilizat forŃe
de apăsare reduse astfel încât adâncimea de penetrare să fie mai mică de 10% din grosimea
estimată a depunerilor. Duritatea şi modulul de elasticitate au fost determinate pe baza
modelului Oliver - Pharr. Pentru comparaŃie măsurătorile de nanoindentare au fost efectuate şi
asupra materialelor substratului şi vârfului de indentare.
Rezultatele testului sunt prezentate în Tabelul 5.18 şi Figura 5.21.
Testul de zgâriere pentru evaluarea aderenŃei acoperirii la substrat a fost efectuat cu
ajutorul unui “Micro Scratch Tester” (CSM Instruments), utilizând un vârf de zgâriere din
oŃel 100Cr6 cu o geometrie Rockwell (cu raza vârfului = 100 µm). Sarcina de zgâriere a fost
aplicată progresiv cu o viteza de ~5 N/min. Lungimea urmei de scratch test a fost de 4 mm
pentru fiecare probă. Rezultatele testului sunt prezentate în Tabelul 5.18.
Testul de uzură mecanică a fost realizat în atmosferă deschisă şi la temperatura
camerei, utilizând tribometrul “pin-on-disk” de la CSM Instruments, în modul rotativ, cu
vârful de încercare având diametrul de 6 mm şi poziŃionat la un unghi de 45° faŃă de suprafaŃa
probei (point-on-flat contact). Atât vârful de uzură cât şi proba au fost curăŃate ultrasonic într-
o baie cu etanol. Vârful de măsurare a uzurii este realizat din oŃel inox (AISI 100Cr6) cu
caracteristicile prezentate în Tabelul 5.18. ForŃa de apăsare a pinului a fost de 1 N, iar
condiŃiile de oprire ale tesului au fost setate la diferite valori pentru a se observa variaŃia
coeficientului de frecare cu distanŃa. Rezultatele testului sunt prezentate în Tabelul 5.18.
Tabelul 5.18. Rezultatele de nanoindentare, aderenŃă şi uzură pentru compusul
Ti+TiB2+WC depus cu şi fără zot
Nr. probă
Nanoindentare AderenŃă Uzură Hit
[GPa] Eit
[GPa]) H/E
H3/E2 [GPa]
Lc1 [N]
Lc2 [N]
Lc3 [N]
Coeficient de frecare
52 20,53 ± 9,18% 247,31±5,60% 0,08 0,14 - 0,4 ± 12,5% 6,61 ± 5,95% 0,18 ± 27%
53 22,9± 9,67% 300,38± 7,44% 0,07 0,13 0,63±3,72% 1,24 ±3,23% 7,61 ± 4,6% 0,23 ± 6,78%
Substrat (inox 304)
3,43 ± 5,31% 232.24 ±5.18% - - - - - -
Pin 4,62 ± 12,07% 209,36 ±6,50% - - - - - -
Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)
cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
CAPITOLUL 5: Cercetări experimentale privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri
tribologice, nanometrice şi complexe, cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
35
0 20 40 60 80 1000.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
Lo
ad
(m
N)
Penetration depth (nm)
Sample 53
Sample 52
Plastic deformation Elastic deformation
Figura 5.21.
VariaŃia sarcinii de încărcare-descărcare funcŃie de adâncimea de penetrare,
pentru probele 52 şi 53
La o analiză sumară a tabelului se constată că:
- rezultatele mecanice (duritate şi coeficient de elasticitate) mai bune s-au obtinut
pentru proba 53, care nu conŃine azot în compoziŃia sa, concluzie aflată în concordanŃă cu mai
multe rezultate prezentate în literatura ştiinŃifică.
- valoarea scăzută a parametrilor de aderenŃă a celor două probe se datorează valorii
foarte reduse a durităŃii substratului (Hit ~ 3,5 GPa) în comparaŃie cu duritatea peliculelor
depuse (Hit ~ 20,5 GPa - proba 52 şi ~ 23 GPa - proba 53).
- coeficient de frecare mai scăzut la proba 52, dar variaŃia coeficientului de frecare
dinamic pentru cele două probe funcŃie de durata uzurii redată prin lungimea parcursului de
uzură din Figura 5.23.a şi b (cu mult mai mare pentru proba 53 decât pentru proba 52) pune
în evidenŃă un regim cu frecare redusă (pentru care s-a calculat valoarea medie trecută în
tabel) cu durata t1 (mult mai mare pentru proba 53 decât pentru proba 52) şi un regim cu
frecare ridicată, cu durata t2.
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
Fri
cti
on
co
eff
icie
nt
Distance (m)
t1
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 5000,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
Fri
cti
on
co
eff
icie
nt
Distance (m)
t1
t2
a. Proba 52 b. Proba 53
Figure 5.23. VariaŃia coeficientului de frecare cu distanŃa (până la apariŃia uzurii intense)
Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)
cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
CAPITOLUL 5: Cercetări experimentale privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri
tribologice, nanometrice şi complexe, cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
36
5.2.3. Realizarea şi caracterizarea topografică, compoziŃională, mecanică şi tribologică, a straturilor tribologice cu compoziŃie pseudo-ternară (TixNy+TixByNz+ WxCyNz),
respectiv cu compoziŃie pentanară (W-C-Ti-B-N) modulată, pornind de la 3 materiale de bază: WC; TiB2 şi Ti
Pentru acest studiu, plecând de la cele 3 materiale de bază (WC, TiB2 şi T) s-a realizat
proba 32 ce conŃine 6 pachete repetitive, realizate din 5 straturi cu compoziŃie pseudo-ternară
modulată (TiNx; TixByNz; WxCyNz), aşa cum se prezintă în Tabelul 5.19 şi a cărui structură
poate fi exprimată de urmatoarea relaŃie: 6 x {[(TixNy+TixByNz+WxCyNz)i]}, unde i = 1 … 5,
sau: 6x {[(TixNy+ TixByNz+WxCyNz)1/ (TixNy+TixByNz+WxCyNz)2/
(TixNy+TixByNz+WxCyNz)3/ (TixNy+TixByNz+WxCyNz)4/ (TixNy+TixByNz+WxCyNz)5]}.
Designul acestui strat cu compoziŃie pseudo-ternară, respectiv pentanară modulată si parametrii tehnologici de realizare sunt prezentaŃi in cererea de brevet de invenŃie aflată în pregatire pentru înregistrare la OSIM. Rezultatele analizei RBS prezentate în Figura 5.30, prin diagrama numărului. de
particule retroîmprăştiate (Count) în funcŃie de canalul de înregistrare, respectiv de energia
particulelor retroîmprăştiate şi înregistrate (curba roşie)-denumită şi Spectrul RBS-, scot în
evidenŃă prin cele 6 picuri foarte vizibile pentru wolfram şi 6 pentru titan, cele 6 pachete
repetitive de straturi din structura depunerii realizate cu compoziŃie modulată.
Figura 5.30. Rezultatul analizei RBS
Programul SIMNRA v6.05 de analiză a datelor RBS, calculează grosimea (respectiv
densitatea de suprafaŃă reală a stratului depus, pe baza densităŃii standard luată în calcul de
softul RBS de 1E15 atomi/cm2) a pachetelor repetitive ale depunerii, iar rezultatele acestei
analize sunt prezentate sintetic in Tabelul 5.21.
Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)
cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
CAPITOLUL 5: Cercetări experimentale privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri
tribologice, nanometrice şi complexe, cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
37
EvidenŃierea grafică, din Fig. 5.31, a structurii stratului depus cu cele 6 pachete
componente de straturi repetitive, precum şi evaluarea grosimii acestora s-a efectuat prin
realizarea unei secŃiuni transversale în stratul depus (după depunerea unui strat protector de
platină), cu ajutorul unui fascicul dublu de prelucrare (FIB) al unei instalaŃii complexe de
microscopie electronică cu baleiaj (SEM with Focused Ion Beam/ SEM-FIB).
Figura 5.31
Sectiune transversală realizată cu sistemul FIB al echipamentului SEM şi măsurată cu SEM; (tip TESCAN Lyra 3 FEG de la JEOL).
Tabelul 5.21. Rezultatele RBS
Material TiN/ TixNy TiB2N/ TixByNz WCN/ WxCyNz
Densitate [g/cm3] 5,22 2,56 7,54
Aria densităŃii reale per strat [1E15 atoms/cm2]
90 100 900
Grosime per strat [nm] 8,85 13,53 138,61
Grosme totală pentru cele 6 straturi TTiN + TTiB2N + TWCN = 161 nm Ttotal = 161 x 6 = 966 nm
De asemenea, softul RBS tip SIMNRA v6.05 asigură şi determinarea stoechiometriei
(compoziŃiei procentuale a elementelor chimice) a fiecărui pachet repetitiv din structura
stratului depus cu ajutorul curbei simulate (de culoare albastră). Stoechiometria optimă găsită
(corespunzătoare curbei albastre) pentru un pachet repetitiv, care se apropie cât mai mult de
spectrul RBS obŃinut (curba roşie) este: W0.33C0.34N0.35; Ti0.25B0.55N0.2; Ti0.6N0.4.
Pentru determinarea durităŃii prin nanoindentare cu AFM s-a realizat o matrice din 4
amprentări, realizate în diferite puncte ale suprafeŃei analizate, folosind aceeaşi forŃă de
apăsare (F = 197 µN) pentru un vârf de indentare din diamant. În Figura 5.32 se prezintă
imaginea suprafeŃei amprentate şi o secŃiune transversală prin 2 puncte de amprentare,
reprezentate una cu roşu şi cealaltă cu verde. Duritatea este calculată pentru fiecare
amprentare prin împărŃirea forŃei de apăsare maxiaă (F) la proiecŃia ariei amprentei, iar
valorile obŃinute sunt prezentate în Figura 5.33. Valoarea medie a nanodurităŃilor obŃinute este
de 23 GPa ((20,5+21+20+21+25+26,8+27+28)/7 ≈23).
Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)
cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
CAPITOLUL 5: Cercetări experimentale privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri
tribologice, nanometrice şi complexe, cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
38
Din secŃiunea transversală (Figura 5.32), dar şi din curba de evaluare a nanodurităŃii
(Figura 5.33) se observă că adâncimea maximă realizată de vârful de indentare/ amprentare
nu depăşeste 23 nm (cu 2 excepŃii), ceea ce înseamnă că prin nanoindentare s-a determinat
practic duritatea stratului de la suprafaŃă din WxCyNz, a cărui grosime conform măsurătorilor
RBS este de 138,61 nm/ 6 = 23,2 nm.
18 19 20 21 22 23 24 25 26 27
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28 (Ti/TiB2/WC)N2 650°
ha
rdn
es
s
(MP
a)
depth (nm)
Figura 5.32. SecŃiune transversală Figura 5.33. VariaŃia nanodurităŃii
prin 2 amprente de nanoindentare cu adâncimea de indentare
Pentru măsurarea durităŃii cu trusa CSM au fost efectuate 14 teste de indentare iar
valorile medii ale rezultatelor obŃinute sunt prezentate în Tabelul 5.22.
Tabelul 5.22. Rezultatele testului de indentare realizat cu trusa CSM
Duritate Elasticitate Rezultate suplimentare
HIT HV EIT Er E* Fmax hmax S hc hr hp
[GPa] Vikers [GPa] mN nm mN/nm nm nm nm 19,264 1784,043 252,164 222,846 277,111 4,49 107,18 0,1226 80,59 71,79 50,18
Duritatea evaluată prin microindentare a avut valori între 23,750 GPa şi 17,294 GPa,
iar modulul de elasticitate a variat între 295,290 GPa şi 212,380 GPa. Adâncimea de penetrare
(hmax) este mai mare decât grosimea stratului de suprafaŃă (W0.33C0.34N0.35) cu grosime de 23,2
nm, dar mult mai mică decât grosimea totală a depunerii (fiind uşor sub grosimea unui pachet,
estimată prin RBS la 966 nm / 6 = 161 nm). Indicele de elasticitate calculat (H / E) este
0,076, iar rezistenŃa la deformare plastică obŃinută H3 / E2 = 0,112 GPa.
Rezultatele obŃinute pentru prima delaminare sunt prezentate în Tabelul 5.23.
Table 5.23. Rezultatul testului de zgâriere
Sarcină critică/ AderenŃă Lc1 = Prima fisură
Lc2 = Prima delaminare Lc3 = Exfoliere a ma mult de 50% din strat
ForŃă normală
ForŃă de frecare
Adâncime de penetrare
N N N nm Lc2 = 0,413 0 - 5 0 -0,5 0 -1267-0
Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)
cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
CAPITOLUL 5: Cercetări experimentale privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri
tribologice, nanometrice şi complexe, cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
39
5.3. Realizarea şi caracterizarea din punct de vedere morfologic, structural, compoziŃional şi mecanic a straturilor subŃiri tribologice, complexe cu compoziŃie pseudocuaternară (Ti/TixNy; TiB2/TixByNz; WC/WxCyNz; WS2/WxSyCz), respectiv cu
compoziŃie pentanară (Ti-W-C-B-S) şi sixnară (Ti-W-C-B-S-N), realizate prin pulverizare magnetron, standard/ reactiv, din 4 materiale de bază: WC; TiB2; Ti; WS2
Din cele 4 materiale de bază (Ti; TiB2; WC şi WS2) s-au realizat:
1. prin pulverizare magnetron standard, straturi subŃiri tribologice cu structură de
strat unic cu compoziŃie pentanară (Ti-B-W-C-S), respectiv pseudo-cuaternară
[1x(Ti+TiB2+WC+WS2)] constantă (proba 39).
2. prin pulverizare magnetron de tip reactiv (cu N2) straturi subŃiri tribologice cu:
a. structură multiplă de multistrat şi compoziŃie sixnară (Ti-B-W-C-S-N), respectiv
pseudo-cuaternară, din 5 pachete repetitive a câte 4 straturi din
TixNy/TixByNz/WxCvNz/WxSyNz cu compoziŃie constantă pe fiecare strat (proba
42: 4x[TixNy/TixByNz/WxCvNz/WxSyNz])
b. structură multiplă de multistrat şi compoziŃie sixnară (Ti-B-W-C-S- N) din 6
pachete repetitive a câte 5 straturi fiecare cu o compoziŃie variabilă (modulată) în
fiecare strat (Proba 40:
6x{[(TixNy+TixByNz+WxCyNz+WxSyNz)1/(TixNy+TixByNz+WxCyNz+
WxSyNz)2/(TixNy+TixByNz+WxCyNz+WxSyNz)3/TixNy+TixByNz+WxCyNz+WxSyNz)4/
(TixNy+TixByNz+WxCyNz+ WxSyNz)5]})
5.3.1. Parametrii de proces pentru realizarea acoperirilor tribologice
Parametrii de proces pentru realizarea acoperirilor tribologice cu compoziŃie pseudo-
cuaternară respectiv cu compoziŃie pentanară şi sixnară sunt prezentaŃi în Tabelul 5.24.
Tabelul 5.24. Parametrii procesului de lucru pentru depunerea probelor cu compoziŃie
pseudo-cuaternară respectiv cu compoziŃie pentanară şi sixnară
Nr. Probă
Materiale Presiune de lucru [mbar]
Debit gaze de lucru
Putere de alimentare a
magnetroanelor [%Pmax]
Durata depunerii
[min] łinte Straturi depuse Ar N2
cm3/min
1 (39)
Ti /
TiB2/ WC/ WS2
1 x (Ti + TiB2 + WC + WS2)
3.4 x 10-3
150
0
1 x (10 + 20 + 20 + 16)
55
2 (42)
Ti /
TiB2/ WC/ WS2
5 x (TixNy/
TixByNz/ WxCyNz/ WxSyNz)
2.4 x 10-3 110 80
5 x (15 + 30 + 30 + 20)
100 (5 min. pe strat)
Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)
cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
CAPITOLUL 5: Cercetări experimentale privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri
tribologice, nanometrice şi complexe, cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
40
3 (40)
Ti /
TiB2/ WC/ WS2
6x { [TixNy + TixByNz + WxCyNz + WxSyNz]1
/ [TixNy +
TixByNz + WxCyNz + WxSyNz]2
/ [TixNy +
TixByNz + WxCyNz + WxSyNz]3
/ [TixNy +
TixByNz + WxCyNz + WxSyNz]4
/ [TixNy +
TixByNz + WxCyNz + WxSyNz]5}
2.4 x 10-3 110 80
6 x 45 + 5 + 5 + 5
30 + 30 + 10 + 10
20 + 45 + 20 + 23,3
10 + 30 + 30 + 25
5 + 5 + 45 + 30
180 (6 min. pe strat)
5.3.2. Determinarea durităŃii şi a modulului de elasticitate prin indentare
În vederea măsurării durităŃii şi a modulului de elasticitate s-au efectuat mai multe teste
de indentare pentru fiecare probă. Valorile medii calculate sunt prezentate în Tabelul 5-25
Tabelul 5.25. Rezultatele şi parametrii testului de indentare
Nr Probă
Duritate Modul de elasticitate Rezultate suplimentare
HIT HV EIT Er E* Fmax hmax S hc hr hp
[GPa] Vikers [GPa] mN nm mN/nm nm nm nm
1 (39)
12,359 1144,572 208.399 190,367 291,620 1,56 73,20 0,0788 58,15 53,01 40,91
2 (42)
5,033 466,096 232,388 180,069 214,163 0,79 72,73 0,0828 65,81 63,35 56,55
3 (40)
3,861 357,587 217,430 196,885 238,975 1,16 101,35 0,1257 94,23 91,73 85,60
5.3.3. Determinarea aderenŃei (sarcinilor critice) prin testul de zgâriere AderenŃa probelor (Tabelul 5.26) a fost investigată prin metoda zgârierii, folosind
microtesterul la care forŃa de apăsare este redusă (0-30 N), pentru a permite analiza acoperirilor
dure, dar şi a celor soft, în vederea funizării valorilor sarcinilor critice Lc1, Lc2 şi Lc3.
Pentru fiecare probă s-au realizat câte 3 teste de zgâriere, utilizând aceleaşi setări ale
echipamentului, iar rezultatele, iar valorile medii sunt prezentate în Tabelul 5.26.
Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)
cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
CAPITOLUL 5: Cercetări experimentale privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri
tribologice, nanometrice şi complexe, cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
41
Tbelul 5.26. Rezultatele testului de zgâriere
Nr. Probă
Sarcini critice/ AderenŃă
Lc1 [N] Lc2 [N] Lc3 [N]
1(39) 0.467 0.683 6.96
2(420 - 0.487 6.073
3(40) - - 6.397
5.3.4. Determinarea coeficientului de frecare prin metoda tribometrului Ball-on-Disc
Testul de uzură s-a efectuat în condiŃii normale de mediu (temperatură: 24 0C;
umiditate: 32 %; rată de achizitie: 200 Hz) cu un tribometru Ball-on-Disc, prevăzut cu o bilă
în rotaŃie, din oŃel-100Cr cu diametru de: 6, 8, 10 sau 12 mm şi cu o sarcină de apăsare de 1 N.
Pentru probele 1 şi 3 s-au efectuat 2 teste, iar pentru proba 2 s-au efectuat 3 teste.
Rezultatele obŃinute sunt prezentate în Tabelul 5.27 şi în Figura 5.39.
Proba 1 Proba 2 Proba 3
Co
efi
cie
nt
de
fre
ca
re
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
Figura 5.39. Coeficientul de frecare
5.3.5. Concluzii privind duritatea, tenacitatea, aderenŃa şi coeficientul de frecare la probele analizate (39, 42 si 40)
Din analiza caracteristicilor mecanice obŃinute se observă că valorile cele mai bune au
fost obŃinute pentru proba 1(39) cu structură de strat unic şi compoziŃie pentanară (Ti-B-W-C-
S), respectiv pseudo-cuaternară [1x(Ti+TiB2+WC+WS2)] constantă, aşa cum este prezentat
comparativ şi în Figura 5.43.
Concluziile privind caracteristicile mecanice şi tribologice ale celor 3 probe sunt
prezentate şi printr-un tabel comparativ (Tabel 5.28) al durităŃii, modulului de elasticitate şi
coeficientului de frecare, obŃinuŃi pentru acestea şi raportaŃi la valorile existente în literatura
ştiinŃifică de specialitate pentru materialele componente ale probelor.
Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)
cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
CAPITOLUL 5: Cercetări experimentale privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri
tribologice, nanometrice şi complexe, cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
42
Proba 1 Proba 2 Proba 3
Re
zis
ten
ta l
a d
efo
rma
re p
las
tic
a [
GP
a]
0
2
4
6
8
10
12
14
Proba 1 Proba 2 Proba 3
Mo
du
l d
e e
las
tic
ita
te[G
Pa
]
0
50
100
150
200
250
a. Duritatea pentru cele 3 probe b. Modulul de elasticitate pentru cele 3 probe
Proba 1 Proba 2 Proba 3
Ind
ice
de
ela
sti
cit
ate
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
Proba 1 Proba 2 Proba 3
Re
zis
ten
ta la
de
form
are
pla
sti
ca
[G
Pa
]0.00
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
c. Indicele de elasticitate (H/E) d. RezistenŃa la deformare plastică (H3/E
2)
Lc1 Lc2 Lc3
Sa
rcin
a c
riti
ca
[N
]
0
2
4
6
8
Proba 1
Proba 2
Proba 3
minim mediu maxim
Co
efi
cie
nt
de
fre
ca
re
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
Proba 1
Proba 2
Proba 3
e. Sarcina critică f. Coeficientul de frecare
Figura 5.43. Prezentarea comparativă a caracteristicilor mecanice şi tribologice
Tabelul 5.28. Parametrii mecanici şi tribologici obŃinuti pentru cele 3 probe şi ai
materialelor componente conform referinŃelor
Parametrii masuraŃi
Materiale individuale Proba
WS2 Ti TiN WC TiB2 1 2 3
Duritate [GPa]
15.3 [13] ; 5.8 [14] 2.4 - 3.4 [15] 31 [16] 14.6 - 23.6 [17] 22 - 2 [18] 12 5 3.8
Modul de elasticitate
[GPa] 166 [13] 100 - 125 [15]
300 - 400 [16]
259 - 350 [17] 570 - 360
[18] 208 232 217
Coeficient de frecare
0.62 - 0.78 [13] - 0.65 - 0.70
[19] 0.15 - 0.35 [17]
0.75 - 0.80 [18]
0.204 0.617 0.656
[x]- Reprezinta nr. Din Bibliografia articolului publicat.
Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)
cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
43 CAPITOLUL 5: Cercetări experimentale privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri
tribologice, nanometrice şi complexe, cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
5.4. Concluzii generale privind caracteristicile funcŃionale (mecanice şi tribologice) ale straturilor subŃiri tribologice pseudo-ternare/ cuaternare, studiate în această lucrare
În Figura 5.44 se prezintă, pentru cele 12 probe cu structură complexă studiate în
această lucrare (la subcapitolele: 5.2.1.; 5.2.2.; 5.2.3. si 5.3.), caracteristicile funcŃionale (mecanice şi tribologice), redate de parametrii: H, E, H/E, H3/E2, LCi şi CF.
Proba
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Du
rita
te [
GP
a}
0
5
10
15
20
25
Proba
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Mo
du
l de
ela
sti
cit
ate
[G
Pa
}
0
50
100
150
200
250
300
350
a. Duritate (H) b. Modulul de elasticitate (E)
Proba
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Ind
ice
le d
e e
las
tic
ita
te
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
Proba
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Re
zis
ten
ta la
de
form
are
pls
tic
a [
GP
a}
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
0,12
0,14
0,16
c. Indice de elasticitate (H / E) d. RezistenŃă la deformare plastică (H3/E2)
Lc1 Lc2 Lc3
Sa
rcin
a c
riti
ca
[N
]
0
2
4
6
8
10
Proba
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Co
efi
cie
nt
de
fre
ca
re
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
e. Sarcină critică (LCi) f. Coeficient de frecare (CF)
Figura 5.44. Prezentarea comparativă a caracteristicilor funcŃionale pentru straturile
tribologice cu compoziŃie pseudo-ternară/ cuaternară
CompoziŃia celor 12 probe din Figura 5.44 se identifică uşor pe baza legendei de mai jos.
Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)
cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
44 CAPITOLUL 5: Cercetări experimentale privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri
tribologice, nanometrice şi complexe, cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
LEGENDA
În urma analizei datelor experimentale se constată că valorile cele mai bune ale
caracteristicilor mecanice şi tribologice (prezentate în Tabelul 5.29.), s-au obŃinut pentru
probele: 8 (53); 7(52); 2 (27) ; 6 (25) .
Aşa cum era de aşteptat este aproape imposibil ca o probă să aibă valorile cele mai
bune la toate caracteristicile funcŃionale, deoarece acestea pot avea acŃiuni contrare (ca de
exemplu: duritatea foarte mare conduce la creşterea coeficientului de frecare şi la reducerea
elasticităŃii, etc.). Astfel, deşi probele 7 şi 8 sunt probele cu cele mai multe caracteristici
mecanice foarte bune, nu au şi cel mai scăzut coeficient de frecare. Coeficientul de frecare cel
mai redus s-a obŃinut pentru multistratul cu compoziŃie pseudo-ternară constantă cu 5 pachete
repetitive a câte 3 straturi constituente fiecare, depus în totalitate în atmosferă de azot.
Pentru o evaluare mai corectă a calităŃilor de strat tribologic pe bază de criterii
obiective şi cuantificabile se prezintă mai jos un tabel comparativ de clasificare a probelor
(Tabel 4.37), din care rezultă clar că cele mai bune caracteristici funcŃionale le au probele
7(52) şi 8(53), cu compozite cuaternară (Ti-W-C-B; proba 53) şi pentanară (Ti-W-C-B-N;
proba 52) şi grosime mărită (peste 1,3 µm), dar Ńinând cont şi de comportarea la uzură a celor
2 probe, rezultă clar că proba 53 are cea mai bună comportare tribologică.
Tabelul 5.29. Clasificarea probelor
Caracteristică mecanică Probă calificată pe
Locul 1 Locul 2 Locul 3
Duritate 8 7 9 Modul de elasticitate 8 9 7 Indice de elasticitate 7 9 8 RezistenŃă la deformare plastică 7 8 9 Sarcină critică 2 8 7 Coeficient de frecare 6 7 9
Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)
cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
45 CAPITOLUL 6: ContribuŃii originale şi concluzii
CAPITOLUL 6
6. ContribuŃii originale şi concluzii
6.1. Contributiile originale, teoretice şi practice, ale tezei de doctorat în domeniul straturilor subŃiri nanometrice cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
şi al direcŃiilor de dezvoltare viitoare al acoperirilor tribologice
Teza de doctorat “Cercetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri
nanometrice cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate” are un puternic caracter
experimental. În prima parte a lucrării (Introducere, Capitolele 1 şi 2), se realizează o
sinteză originală (pe baza lucrărilor din bibliografie, dar şi cu multiple contribuŃii proprii) a
cunoştiinŃelor teoretice şi practice existente astăzi, atât din domeniul realizării straturilor
subŃiri depuse în vid cu structură nanometrică prin metoda pulverizării catodice tip magnetron
(care constituie cea mai folosită şi mai performantă metodă de realizare a straturilor subŃiri
cu utilizări în tehnologia materialelor avansate), cât şi în domeniul caracterizării
morfologice, compoziŃionale, mecanice şi tribologice ale acestor straturi, în vederea evaluării,
îmbunătăŃirii şi optimizării proprietăŃilor lor funcŃionale.
Cea de a doua parte a lucrării (Capitolele 3, 4, 5 şi 6) conŃine contribuŃiile originale
ale autoarei acestei lucrări la realizarea de acoperiri tribologice cu noi structuri şi noi
compoziŃii bazate pe brevetele şi cererile de brevet de inventive, obtinute şi în curs de analiză.
Din multitudinea de aplicaŃii prezente şi de viitor ale straturilor subŃiri depuse în vid
cu utilizări în tehnologia materialelor avansate, lucrarea a analizat dintr-un punct de vedere
original, acoperirile tribologice, care se află în topul cercetărilor actuale din domeniile
prioritare ale Programelor Uniunii Europene de Cercetare-Dezvoltare-Inovare, (precum:
“Nanotehnologii şi materiale avansate” din HORIZON 2020 sau “Materials with new
surfaces and coatings” din M-ERA.NET), dar şi din Programul National de C-D-I (PNCDI-2).
În faza de documentare pentru realizarea tezei de doctorat au fost elaborate şi depuse
la OSIM, în 2011, 5 cereri de brevete de invenŃie, din domeniul acoperirilor tribologice,
pentru care au fost acordate de OSIM în 2013 (1 brevet) şi 2014 (4 brevete)..
Prin aceste brevete de invenŃie sunt certificate la cel mai înalt nivel contribuŃiile
originale aduse la dezvoltarea domeniului acoperirilor tribologice.
Sunt definite, de asemenea, noi direcŃii de cercetare în domeniul acoperirilor
tribologice, dupa cum se va vedea în cele ce urmează.
Tematica tezei de cercetare este nouă şi originală atât din punct de vedere al
compoziŃiei straturilor depuse, cât şi din punct de vedere al structurii acestora. Astfel, până în
prezent în literatura ştiinŃifică nu au fost publicate încă lucrări de cercetare pentru straturi
Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)
cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
46 CAPITOLUL 6: ContribuŃii originale şi concluzii
tribologice complexe cu cele 3 materiale (Ti; WC; TiB2) şi nici cu cele 4 materiale (Ti; WC;
TiB2; WS2) utilizate în această teză de docorat, materiale care permit realizarea de straturi
tribologice complexe cu structura cuaternară (Ti-W-C-B), pentanară (Ti-W-C-B-N) sau sixnară
(Ti-W-C-B-N-S), respectiv pseudo-ternară (Ti/TiN-WC-TiB2; TiN/WCN/TiBN) sau pseudo-
cuaternară (Ti/TiN-WC-TiB2-WS2).
Prin tematica şi obiectivele sale, teza de doctorat aduce o contribuŃie importantă la
dezvoltarea stadiului actual al acoperirilor tribologice şi la validarea unor direcŃii noi de
cercetare în domeniul acoperirilor tribologice, precum straturile tribologice cu următoarele structuri:
1. Strat unic complex (monostrat), cu compoziŃie constantă şi structură nanometrică
(cu dimensiunea grăunŃilor cristalini sub 100 nm) din materiale chimice compuse,
dopate sau nedopate cu metale/ nemetale;
2. Strat unic complex, cu compoziŃie constantă/ graduală şi structură nanometrică,
din materiale chimice compuse, dopate sau nedopate cu metale sau nemetale;
3. Strat unic complex, cu structură nanocompozită;
4. Strat multiplu (multistrat) nanostructurat (cu grosimea straturilor componente mai
mică de 100 nm/ dimensiunea grăunŃilor de cristalizare mai mică de 100 nm);
5. Multistrat cu structură superlattice (cu grosimea straturilor componente < 10 nm).
6. Multistrat cu compoziŃie modulată (structură cu pachete de straturi repetitive, cu
compoziŃie modulată/ variabilă) şi nanostructurată.
Cercetările realizate în cadrul tezei au certificat faptul că:
A. Pentru o anumită aplicaŃie tribologică, care are condiŃii de lucru şi de mediu impuse
(temperatură, presiune, sarcină de apăsare în contact, viteză de alunecare sau de rotaŃie,,
prezenŃa gazelor corozive, etc.) trebuie alese corect: metoda de depunere a acoperirii şi
tipurile de materiale utilizate, deoarece acestea au o mare influenŃă asupra duratei de viaŃă,
(dată de rezistenŃa la uzură) şi asupra preŃului acoperirii cuplei de frecare.
B. Răspunsul cuplei de frecare (sistemului tribologic) format dintr-un substrat acoperit
şi o contrapiesă metalică sau nemetalică acoperită sau neacoperită este redat prin coeficientul
de frecare (CF) al sistemului, ce depinde de următorii factori:
1. proprietăŃile substratului (rugozitate, duritate, tenacitate, stare de curăŃare);
2. proprietăŃile contrapiesei de frecare (rugozitate, duritate, tenacitate);
3. proprietăŃile stratului de acoperirie a substratului (aderenŃă, duritate, tenacitate,
porozitate; rezistenŃă la oxidare termică; rezistenŃă la coroziune chimică) care depind
în principal de metoda de depunere utilizată.
Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)
cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
47 CAPITOLUL 6: ContribuŃii originale şi concluzii
În acord cu brevetul de invenŃie nr. 128094/30.09.2014 (autori: Alice-Ortansa
Mateescu şi Gheorghe Mateescu), materialele utilizate pentru realizarea acoperirilor
tribologice trebuie să îndeplinească (în acord cu condiŃiile de lucru) următoarele 6 proprietăŃi
complementar-cumulative, ce definesc şi caracterizează acoperirile tribologice:
1. Coeficient de frecare scăzut;
2. Duritate ridicată;
3. Tenacitate ridicată;
4. AderenŃă bună la substrat;
5. Conductivitate termică ridicată;
6. RezistenŃă înaltă la coroziune şi la oxidare termică (stabilitate termică şi chimică).
Cele 6 proprietăŃi tribologice esenŃiale şi complementar-cumulative, pe care trebuie să
le indeplinească sau să le asigure materialele utilizate pentru realizarea acoperirilor tribologice
complexe, pot fi îndeplinite, potrivit cererii de brevet de invenŃie 1075/28.12.2012 (autori:
A.O. Mateescu si G. Mateescu): teoretic – de 6 materiale diferite, care îndeplinesc individual
cele 6 proprietăŃi complementar-cumulative maximale, dar practic şi optim (din punct de
vedere tehnologic şi de costuri de realizare) – de 2, 3 sau 4 materiale, deoarece anumite
materiale asigură simultan mai multe cerinŃe din cele 6 cerinŃe de bază ale materialelor
tribologice prezentate anterior.
Alegerea numărului de materiale din compoziŃia straturilor tribologice graduale şi
complexe se face, potrivit brevetelor de invenŃie ale autoarei acestei teze, pe baza
complementarităŃii proprietăŃilor acestora, dar Ńinând cont şi de:
1. condiŃiile de mediu ale cuplei de frecare (temperatură, presiune, umiditate, etc.);
2. sarcina de apăsare a cuplei de frecare;
3. costurile de realizare.
Criteriile de optimizare a numărului de materiale, respectiv de straturi componente
dintr-o acoperire tribologică multicomponent, repectiv multistrat, care să îndeplineacă cele 6
proprietăŃi esenŃiale ale acoperirilor tribologice, sunt descrise prin exemple concrete în
brevetele de invenŃie nr. 127961/30.12.2013 si 128094/30.09.2014 (Autori: Alice-Ortansa
Mateescu şi Gheorghe Mateescu), prezentate succint în sub-capitolul 6.2.5 din Teză.
6.2. Exemple concrete de contribuŃii originale ale autoarei tezei de doctorat în domeniul
straturilor subŃiri nanometrice cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate şi de diseminare a rezultatelor
Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)
cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
48 CAPITOLUL 6: ContribuŃii originale şi concluzii
ContribuŃiile ştiinŃifice concrete ale autoarei acestei teze la dezvoltarea domeniului
straturilor subŃiri nanometrice cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate sunt validate de
lumea ştiinŃificã a domeniului şi prin:
1. brevetele de invenŃie (Cap. 6.2.1);
2. aricolele publicate în reviste cotate ISI (Cap. 6.2.2);
3. lucrările prezentate la conferinŃe internaŃionale (Cap. 6.2.3);
4. diplomele şi medaliile obŃinute la saloanele internaŃionale de inventică (Cap. 6.2.3).
6.2.1. Lista brevetelor de invenŃie şi a cererilor de brevet de invenŃie
din domeniul tezei de doctorat
1. G. Mateescu, A. O. Mateescu – Compus lubrifiant şi antiuzură din bisulfură de wolfram,
carbon şi metal, Brevet de invenŃie nr. 127963 / 30.12.2014
2. A. O. Mateescu, G. Mateescu – Material multistrat de acoperire cu proprietăŃi tribologice
şi procedeu de obŃinere a acestuia, Brevet de invenŃie nr. 128094 / 30.09.2014
3. G. Mateescu, A. O. Mateescu – Compus lubrifiant şi antiuzură din bisulfură de wolfram şi
carbon, Brevet de invenŃie nr. 127962 / 30.09.2014
4. G. Mateescu, A. O. Mateescu – Metodă de acoperire a pieselor metalice cu straturi
subŃiri lubrifiante, Brevet de invenŃie nr. 128144 / 30.06.2014
5. G. Mateescu, A. O. Mateescu – Compus lubrifiant şi antiuzură pe bază de bisulfură de
wolfram, de acoperire a unui substrat metalic, Brevet de invenŃie nr. 127961/
30.12.2013
6.2.2. Lista articolelor din domeniul tezei de doctorat, publicate în reviste cotate ISI
1. A. O. Mateescu, V. Jinga, D. Cristea, G. Mateescu, I. Burducea, C. Ionescu, L.S.
Craciun, I. Ghiuta, C. Samoila, D. Ursutiu, D. Munteanu – „Compositional,
morphological and mechanical investigations of monolayer type coatings obtained by
standard and reactive magnetron sputtering from Ti, TiB2 and WC” – acceptat pentru
publicare, J. Appl. Surf. Sci., APSUSC-D-15-03314R1
2. A. O. Mateescu, G. Mateescu, V. Jinga, D. Cristea, C. Samoila, D. Ursutiu, D. Munteanu
– „Physical and technological interpretation of mechanical properties for single and
multi-layer films with properties of dry lubricants” – J Optoelectron. Adv. M. Vol. 17,
No. 7-8, July – August 2015, p. 1152 – 1160
3. A. O. Mateescu, G. Mateescu, A. Balan, I. Stamatin, V. Jinga, C. Samoila, D. Ursutiu –
“Thin Films based on Tungsten Carbide with Binary, Ternary and Quaternary
Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)
cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
49 CAPITOLUL 6: ContribuŃii originale şi concluzii
Composition, Obtained by Magnetron Sputtering” – Key Engineering Materials Vol. 660
(2015) pp 138-142, doi:10.4028/www.scientific.net/KEM.660.138
4. V. Jinga, D. Cristea, A. O. Mateescu, C. Samoila, D. Ursutiu, G. Mateescu, D.
Munteanu – "Dry lubricant materials deposited by magnetron sputtering and friction
coefficients evaluation”, Key Enginering Materials, Volume 660 (2015), p.75-80,
doi:10.4028/www.scientific.net/KEM.660.75
5. V. Jinga, A. O. Mateescu, G. Mateescu, L. S. Craciun, C. Ionescu, C. Samoila, D.
Ursutiu, D. Munteanu, D. Cristea – “Mechanical and tribological behaviour of the
multilayer dry lubricant coatings with ternary composition from compound materials
(TixNy; TiB2/TixByNz; WC/WxCyNz)”– J Opt. Adv. M. Vol. 17, No. 5-6, M.-J. 2015, p. 773-779
6. A. O. Mateescu, A. Balan, G. Mateescu, I. Stamatin, C. Samoila, D. Ursutiu, V. Nascov,
“Microstructure & corrosion resistence for W-C-Ti-N layer deposited by reactive
magnetron sputtering”, Digest J. of Nanomat. & Biotech., Vol. 10, No. 2, April - June
2015, p. 437 – 443
7. C. Besleaga, A. C. Galca, C. F. Miclea, I. Mercioniu, M. Enculescu, G. E. Stan, A. O.
Mateescu, V. Dumitru and S. Costea – “Physical properties of AlxIn12xN thin film
alloys sputtered at low temperature” – Journal of Applied Physics 116, 153509 (2014)
6.2.3. Lista lucrărilor din domeniul tezei de doctorat,
prezentate la conferinŃe internaŃionale
1. A. O. Mateescu, G. Mateescu, L. S. Craciun, C. Ionescu, I. Burducea – " Tribological
nanostructured multilayer thin films from compound materials characterized by AFM
and RBS” – 15th International Balkan Workshop on Applied Physics, 2-4th July 2015,
Constanta, Romania
2. A. O. Mateescu, G. Mateescu, A. Balan, I. Stamatin, V. Jinga, C. Samoila, D. Ursutiu –
“Thin Films based on Tungsten Carbide with Binary, Ternary and Quaternary
Composition, Obtained by Magnetron Sputtering” – International Conference on
Innovative Research, Euroinvent 2015, 14-15 May 2015, Iasi, Romania
3. V. Jinga, D. Cristea, A. O. Mateescu, C. Samoila, D. Ursutiu, G. Mateescu, D.
Munteanu – "Dry lubricant materials deposited by magnetron sputtering and friction
coefficients evaluation” – International Conference on Innovative Research, Euroinvent
2015, 14-15 May 2015, Iasi, Romania
4. V. Jinga, D. Cristea, A. O. Mateescu, C. Samoila, D. Ursutiu, G. Mateescu, D. Munteanu
– „Physical and technological interpretation of mechanical properties for single and
Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)
cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
50 CAPITOLUL 6: ContribuŃii originale şi concluzii
multi-layer films with properties of dry lubricants” – 9th Internation Conference on
Materials Science and Engineering, 5-7 March 2015, Brasov, Romania
5. V. Jinga, D. Cristea, C. Samoila, D. Ursutiu, A. O. Mateescu, G. Mateescu, D. Munteanu
– "Friction coefficients obtained for nanometrical layers deposited by PVD technology,
having dry lubrication properties” – 9th Internation Conference on Materials Science
and Engineering, 5-7 March 2015, Brasov, Romania
6. A. O. Mateescu, G. Mateescu, C. Samoila, D. Ursutiu, D. Munteanu, D. Cristea, V. Jinga
– "Tribological tests for nanostructured dry lubricant multi-layer coatings" –
5th International Conference on Materials Science and Technologies, RoMat 2014, 15-
17th October 2014, Bucharest, Romania,
7. A. O. Mateescu, G. Mateescu, L. Craciun, C. Ionescu, I. Burducea – "Morphological and
compositional investigations of the tribological coatings with ternary composition from
compound materials, obtained by DC magnetron sputtering deposition method" – S1
P01, 14th International Balkan Workshop on Applied Physics, 2-4th July 2014,
Constanta, Romania,
8. A. O. Mateescu, G. Mateescu, L. Craciun, C. Ionescu, C. Samoila, D. Ursutiu, D.
Munteanu, D. Cristea, V. Jinga – "Mecanical and tribological behaviour of the
multilayer dry lubricant coatings with ternary composition from compound materials
(TixNy; TiB2/ TixByNz; WC/ WxCyNz) " – S1 P02, 14th International Balkan Workshop on
Applied Physics, 2-4th July 2014, Constanta, Romania
6.2.4. Diplome şi medalii din domeniul tezei de doctorat
obŃinute la competiŃii internaŃionale de brevete
1. Diploma and Gold Medal – Lubricant and wear resistant compound based on tungsten
disulfide for metallic substrate coating, EOROINVENT 2015, European Exhibition of
Creativity and Innovation, Iaşi, România,
2. Diploma de ExcelenŃă şi Medalia de Aur – Compus lubrifiant si antiuzura din bisulfura de
wolfram, carbon si metal, Salonul InternaŃional de Inventică ProInvent, EdiŃia a XII-a,
2014, Cluj-Napoca, România
3. Diploma de ExcelenŃă şi Medalia de Argint – Material multistrat de acoperire cu
proprietãŃi tribologice şi procedeu de obŃinere a acestuia, Salonul InternaŃional de
Inventică ProInvent (ProInvent), EdiŃia a XII-a, 2014, Cluj-Napoca, România
4. Diploma şi Medalia EUROINVENT – Compus lubrifiant şi antiuzurã din bisulfura de
wolfram, carbon şi metal, ProInvent, EdiŃia a XII-a, 2014, Cluj-Napoca, România
Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)
cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
Bibliografie-selectivă 51
BIBLIOGRAFIE -selectivă
Bibliografie - Introducere
[1]. B. Bhushan, John Wiley & Sons, Principles and applications of tribology, New York, 1999
[2]. Basic of friction, http://www.stle.org/resources/lubelearn/friction/
[26]. Jimmy C' Yu, Prezentare pp, Nanoparticle Synthesis, Department of Chemistry Environmental Science
Pro-gramme The Chine, http://www.powershow.com/view/1bc78e-ZTBjM/Nanoparticle_Synthesis_Jimmy_C_
Yu _Department_of_Chemistry_Environmental_Science_Programme_The_Chine_powerpoint_ppt_presentation
[27]. Mahmood Aliofkhazraei and Dr. Alireza Sabour Rouhaghdam, Fabrication of Nanostructures by Plasma
Electrolysis (carte), 2010 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KgaA,
Bibliografie - Capitolul 1
[36]. V. Kuznetsov, K. Macak, etc, A novel pulsed magnetron sputter technique utilizing very high power
densities,., Surface and Coating Technolgy 163-164 (2-3): 230-293,
[37]. A.P. Ehiasarian, R. N, W. Munz, U. Halmerson, V. Kousnetsov, Influence of high power densities on the
composition of pulsed magnetron plasma;. Vacuum 65(2): 147-154,
[38]. A.P. Ehiasarian, J. G. Wen, I. Petrov, Interface microstructure engineering by high power impulse
magnetron sputtering for enhancement of adhesion, Journal of Applied Physics 101 (5): item 054301, 10pp
[39]. D. J. Christie, Target material pathways model for high power pulsed magnetron sputtering, Adv. Energy
Ind. Inc., 1625 Sharp Point Dr. Fort Collins, Collorado 80525
[40]. M. Clapa, D. Batory, Improving adhesion and wear resistance of carbon coatings using Ti:C gradient
layers, Journal of Achievments in Materials Manufacturing Engineering, Volume 20, Jan.-Feb. 2006
[41]. Ali Erdemir and Christophe Donnet, Tribology of diamond-like carbon films: recent progress and future
prospects, J. Phys. D. Appl. Physs. 39 (2006);
[42]. Yi Long, R.J. Stearn, Z.H. Barber, J. Lloyd, W.J. Clegg , Deposition of TiN/NiB Superlattice Hard
Coatings by Ionised Magnetron Sputter Deposition,
[43]. T. Cselle, M. Morstein, A.G. Plattit, G. Switzerland, P. Holubar, M. Jilek, A. Karmi, Nanostructured
Coatings and Processe on an Industrial Scale, Gorham conference-USA
[44]. Miroslav Piska, Ales Polzer, New Hard Nano-Crystalline Coatings for Cutting Tools and Their Testing,
Research Plan - Faculty of Mechanical engineering, Brno
[45]. Stan Veprek, J.G. Maritza, Beijman Veprek, Industrial applications of superhard nanocomposite coatings,
Surface & Coatings Technology, 2008
[46]. William D. Sproul, Tribological coatings: From Monolithic to Nanocomposite and Nanolayered Coatings,
Presented at 50th SVC TechCon in Luisville, KY in the Tribological and Decorative Coating Session, 2007
[47]. A.A Voevodin; J.S. Zabinski, Supertough wear-resistant coatings with “chameleon” surface adaptation,
[53]. G. Mateescu, A. O. Mateescu – Compus lubrifiant şi antiuzură din wolfram, carbon şi metal, Brevet de
invenŃie RO 127963 B1/ 30.12.2014
[54]. A. O. Mateescu, G. Mateescu – Material multistrat de acoperire cu proprietăŃi tribologice şi procedeu de
obŃinere a acestuia, Brevet de invenŃie RO 128094 B1/ 30.09.2014
[55]. G. Mateescu, A. O. Mateescu – Compus lubrifiant şi antiuzură din bisulfură de wolfram şi carbon, Brevet
de invenŃie RO 127962 B1/ 30.09.2014
Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)
cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
Bibliografie-selectivă 52
[56]. G. Mateescu, A. O. Mateescu – Metodă de acoperire a pieselor metalice cu straturi subŃiri lubrifiante,
Brevet de invenŃie RO 128144 B1/ 30.06.2014
[57]. G. Mateescu, A. O. Mateescu – Compus lubrifiant şi antiuzură pe bazăde bisulfură de wolfram, de
acoperire a unui substrat metalic, Brevet de inventie RO 127961 B1/ 30.12.2013
[58]. G. Mateescu, A. O. Mateescu – Materiale şi metode de realizare în vid a straturilor tribologice graduale
şi complexe, pentru acoperirea obiectelor metalice supuse frecării – Cerere de brevet de invenŃie nr.
A/01075/28.12.2012
[59]. G. Mateescu, A. O. Mateescu – Materiale lubrifiante uscate şi complexe cu structură de strat unic şi
compoziŃie graduală/ constanta şi metode sau procedee de realizare cu aceste materiale a acoperirilor
lubrifiante graduale – Cerere de brevet de invenŃie nr. A/01074/28.12.2012
[60]. DICRONITE-DL-5 -www.dicronite.com
[61]. DYNALLOY-G/ M/ T -www.dynamiccoatingsinc.com.
[62]. Teer Coating Ltd. _Patent No. GB2303380 from 19.02.1997-Methods for Deposition of MoS2 with Ti
[63]. G. Mateescu, A. O. Mateescu şi alŃii, Propunere de proict la M-ERA.NET (08.06.2015), Tribological
coatings with complex composition, obtained by sputtering from targets of WS2; MoS2; Ti; C; TiB2; WC”
Bibliografie – Capitolul 2
[64]. A.O. Mateescu, Caiet de sarcini IM_DSSV,
[74]. Prof. Dr. Ing. A. Vişan, Conf. Dr. Ing. N. Ionescu, TOLERANłE, Capitolul 5. Prescrierea preciziei formei
microgeometrice a suprafeŃelor – Rezumat, www.aurelianvisan.ro/.../112_Tol_Rez_Cap.%2005_Rugozit.pdf
[75]. Surface Roughness (JIS B 0601-2001)-Engineering.com, files.engineering.com/download.aspx
[76]. Full width at half maximum png - Wikimedia Commons, http://en.wikipedia.org/wiki/File:FWHM.svg
[77]. Parametrii descriptivi de statistică socială; statisticasociala.tripod.com/variabile2.htm
[96]. Kurt J. Lesker, Material deposition chart, http://www.semicore.com/reference/sputtering-yields-reference
[97]. Electrical resistivity and conductivity - Wikipedia, the free encyclopedia
https://en.wikipedia.org/wiki/Electrical_resistivity_and_conductivity
[99]. J. Robertson / Materials Science and Engineering R 37 (2002) 129±281,
carbon.utsi.edu/downloads/JRobertson_MSER.pdf
[100]. Carbon basic phase diagram,
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Carbon_basic_phase_diagram.png,
[101]. Tungsten Carbides and W–C Phase Diagram, A.S. Kurolov, A.I. Gusev, http://www.researchgate.net/profil
/Alexe _Kurlov/publication/226603505_Tungsten_carbides_and_W-C_phase_diagram/links/549d0d1a0cf2fedbc30fe6f3.pdf
[111]. Material Properties Chart: C, BN, TiB2, WC -www.ferroceramic.com;
www.ceramic.nist.gov/srd/scd/Z00093.htm#M31P.
Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)
cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
Rezumat-Abstract 53
REZUMAT
Lucrarea are ca scop realizarea de straturi subŃiri tribologice cu structură nanometrică
şi compoziŃie complexă (ternară: W-C-N, W-C-Ti; cuaternară: W-C-Ti-N, W-C-Ti-B;
pentanară: W-C-Ti-B-N, W-C-Ti-B-S şi sixnară: W-C-Ti-B-S-N), utilizând pulverizarea
magnetron de tip standard sau reactiv în CC şi RF, precum şi caracterizarea morfologică,
structurală, compozitională şi funcŃională (mecanică, tribologică şi anticorozivă) a probelor
realizate pe siliciu (şlefuit pe o faŃă) şi pe oŃel inox 304 (şlefuit pe ambel feŃe), folosind:
Microscopia de ForŃă Atomică, Spectrometria de Retroîmpraştiere Rutherford şi metodele:
amprentării/ indentării, zgârierii şi tribometrului (folosind tribometrul Bila/ Pin pe disc).
Alegerea materialelor de depunere s-a realizat în acord cu cerinŃele celor 5 brevete de
invenŃie ale autoarei tezei, acordate de OSIM (în 2013 - 2014). Astfel, pentru realizarea
acoperirilor monostrat şi multistrat s-au utilizat Ńinte de pulverizare din Ti, WC, TiB2
(folosind pulverizarea magnetron în CC) şi WS2 (depus prin pulverizare magnetron în RF).
Rezultatele obŃinute (susŃinute de 7 articole publicate în reviste cotate ISI şi 8 lucrări
prezentate la conferinŃe internaŃionale) confirmă alegerea corectă a metodei de depunere,
precum şi a combinaŃiei de materiale utilizate şi deschid calea unei noi direcŃii de C-D-I în
domeniul acoperirilor tribologice.
ABSTRACT
The work has as goal the achievement of tribological thin films with nanometric
structure and complex composition (ternary: W-C-N, W-C-Ti; cuaternary: W-C-Ti-N, W-C-
Ti-B; pentnary: W-C-Ti-B-N, W-C-Ti-B-S and sixnary: W-C-Ti-B-S-N composition), using
standard and reactive magnetron sputtering in DC and RF, as also morphological, structural,
compositional and functional (mechanical, tribological and anticorrosion) characterization of
the samples deposited on (one side polished) silica and (both sides polished) 304 stainless
steel, by: Atomic Force Microscopy (AFM), Rutherford Backscattering Spectrometry,
Hardness Indentation Test, Scratch Test and Ball/Pin on disk tribometer method.
Selection of the deposition materials was made in accordance with the 5 patents
awarded to the author of the thesis by the Romanian State Office for Inventions and
Trademarks - OSIM (in 2013 - 2014). In this idea, sputtering targets of Ti, WC, TiB2
(deposited by DC magnetron sputtering) and WS2 (deposited by RF magnetron sputtering)
were used for single and multilayer deposition.
The results (sustained by 7 ISI publications and 8 presentations at international
conferences) confirm the proper selection of the deposition method as also of the materials
combination and open the path of a new R&D&I direction in the field of tribological coatings.
Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZA DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)
cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
Curriculum Vitae
54
Curriculum Vitae
InformaŃii personale
Nume Alice-Ortansa Mateescu
Adresă Bd. Ion Mihalache 187, Bl. 4, Ap. 28, Bucuresti 018111, Romania
Telefon +4073 363 65 59
Fax +4021 220 80 84
E-mail [email protected] [email protected]
NaŃionalitate Română
Data naşterii 19.03.1976
Angajator Institutul NaŃional de Cercetare-Dezvoltare pentru Fizică şi Inginerie Nucleară Horia Hulubei – IFIN HH
ExperienŃă profesională
Perioada 2006 - prezent
PoziŃia ocupată Inginer de Dezvoltate Tehnologică III (IDT III)
ActivităŃi şi responsabilităŃi • Depuneri de stratri subŃiri în vid
• Cercetări în domeniul tehnicii vidului şi tehnologiilor în vid
• Modernizarea sistemului de vid al acceleratorului Tandem
Numele şi adresa angajatorului Institutul NaŃional de Cercetare-Dezvoltare pentru Fizică şi Inginerie Nucleară Horia Hulubei – IFIN HH Str. Reactorului nr.30, CP MG-6, Bucureşti – Măgurele 077125, România
Perioada 1999 – 2006
PoziŃia ocupată Asistent cercetare
ActivităŃi şi responsabilităŃi • Proiectarea, depunerea şi caracterizarea straturilor subŃiri pentru componente optice
• Acoperiri reflectorizante şi antireflectorizante
Numele şi adresa angajatorului Institutul NaŃional de Cercetare-Dezvoltare pentru Fizica Laserilor, Plasmei şi RadiaŃiei Str. Atomiştilor nr. 409, CP MG-36, Bucureşti – Măgurele 077125, România
EducaŃie şi formare profesională
Perioada 2011 - 2015
PozitŃia ocupată Doctorand
Titlul tezei: „Cercetări pentru realizarea şi carascterizarea straturilor subŃri (nanomwetrice) cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate”
Subiecte aprofundate Straturi subtiri tribologice complexe depuze in vid prin pulverizare magnetron de tip standard şi rectiv în c.c. şi RF
Numele instituŃiei de învăŃământ Universitatea Transilvania din Braşov Facultatea de ŞtiinŃa şi Ingineria Materialelor
Perioada 1999 - 2001
Diploma obŃinută Master
Perioada 1994 – 1999
Diploma obŃinută Inginer
Domeniul Electrotechnologii
Numele instituŃiei de învăŃământ Universitatea Politehnica din Bucureşti Facultatea de Electrotehnică
Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZA DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)
cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate
Curriculum Vitae
55
Curriculum Vitae
Personal information
Name Alice-Ortansa Mateescu
Address 187 Ion Mihalache Bulevard, Bl. 4, Ap. 28, 018111 Bucharest, Romania
Telephone +4073 363 65 59
Fax +4021 220 80 84
E-mail [email protected] [email protected]
Nationality Romanian
Date of birth 19.03.1976
Gender Female
Employment Horia Hulubei National Institute for R&D in Physics and Nuclear Engineering – IFIN HH
Work experience
Dates 2006 - present
Position held Senior Researcher III (IDT IIII)
Main activities and responsibilities • Vacuum Thin Film Deposition
• Researches in the field of Vacuum Technique and Vacuum Technologies
• Modernization of the Vacuum System of Tandem Accelerator
Name and address of employer Horia Hulubei National Institute for R & D in Physics and Nuclear Engineering – IFIN HH Str. Reactorului no.30, P.O.BOX MG-6, Bucharest – Magurele 077125, Romania
Dates 1999 – 2006
Position held Junior Researcher
Main activities and responsibilities • Designing, coating and characterization of vacuum thin film deposition for optical components
• Reflective and antireflective thin film coatings
Name and address of employer National Institute for Laser, Plasma and Radiation Physics Str. Atomistilor, P.O.BOX MG-36, Bucharest – Magurele 077125, Romania
Education and training
Dates 2011 - 2015
Title of qualification awarded PhD. student
Thesis title: “Researches for achievement and characterization of nanometric thin films with applications in the advanced materials technology”
Principal subjects Ccomplex tribological thin films deposited in vacuum by standard and reactive magnetron sputtering in DC and RF
Name and type of organisation providing education and training
Transilvania University of Brasov Faculty of Material Science and Engineering
Dates 1999 - 2001
Title of qualification awarded Master in Science
Dates 1994 – 1999
Title of qualification awarded Bachelor in Science - Engineer
Principal subjects Electrotechnologies
Name and type of organisation providing education and training
Politechnica University of Bucharest Faculty of Electrotechnics