Оценка на устойчивост на корозия и ерозия на многослойни TiN/AlTiN покрития

Вилиан Аперадор 1,2 *, Цезар Амая 3, Хорхе Баутиста Руиз 4

1: Катедра по мехатроника, Военен университет Нуева Гранада, Carrera 11 No. 101-80, факс: +57 (1) 6343200, Богота, Колумбия.

2: Колумбийско инженерно училище ? Хулио Гаравито, AK.45 No 205-59 (Autopista Norte), +57 (1) 668 3622, Богота, Колумбия.

3: Изследователска група за разработване на материали и продукти CDT ASTIN SENA, Кали-Колумбия.

4: Катедра по физика, Университет Франсиско де Паула Сантандер. Авенида Гран Колумбия № 12Е ? 96. Б Колсаг. Лабораторна сграда. Сан Хосе де Кукута. Северно от Сантандер. Колумбия

Ключови думи: Титаниево-алуминиев нитрид, динамична корозия, ерозионна корозия, ерозия, сканираща електронна микроскопия.

Оценка на устойчивостта на ерозионна корозия на многослойни TiN/AlTiN

Тънки филми се отлагат в многослойни TiN/AlTiN с периоди от 2, 6, 12 и 24 двуслоя върху стоманени подложки AISI 1045, чрез RF система за магнитно разпръскване върху Ti и Al цели (99,99%) в атмосфера Ar/N2. Многослойността беше тествана срещу корозия, ерозия и корозионна ерозия при ъглово въздействие от 90 ° и 0,5 M разтвор на NaCl и силициев диоксид и анализира ефекта на броя на двуслойните върху корозионната устойчивост на тези покрития. Електрохимичната характеристика се извършва чрез поляризационни криви на Tafel и микроструктура чрез сканираща електронна микроскопия. Изследването показва намалена скорост на корозия на основата, тя намалява от 2291,05 mpy на 351,24 mpy с 2 двуслоя и 15,01 mpy с 24 двуслоя. Тези резултати потвърждават доброто действие на двупластовете в устойчивостта на корозия на ерозия. От резултатите от сканиращата електронна микроскопия може да потвърди защитния ефект на покритията върху основата, както и нарастващия брой двуслойни.

Ключови думи: алуминиев титанов нитрид, корозионна динамика, ерозионна корозия, ерозия, сканираща електронна микроскопия.

Получава: 21.06.2011; Прегледано: 12.07.2011 г. Прието: 23.08.2011 г .; Публикувано: 07-09-2011

1. ВЪВЕДЕНИЕ

Корозионната ерозия е ускоряване на скоростта на корозия на метал поради относителното движение на корозивна течност по повърхността на метал [1], ако течността съдържа и твърди частици в суспензия, ерозивният ефект има тенденция да се увеличава. което причинява влошаване на метала.

Твърдите покрития се превърнаха в решение на проблеми като корозия и износване. Техниката на физическо отлагане на пари (PVD) е един от най-използваните процеси за получаване на твърди покрития, който включва всеки процес на растеж на филм във вакуумна среда, който включва отлагане на атоми или молекули върху субстрат [2], който се състои за физическо изпаряване на материала, който ще образува покритието и последващата му кондензация върху основата, този процес има възможност да се прилага едновременно върху възли или части.

Целта на настоящата работа е да се изследва електрохимичната природа на многослойните покрития на базата на [TiN/AlTiN] n, за да се анализира тяхната химическа реакция в агресивни среди, явлението ерозия и корозионно-ерозионния синергизъм. Това проучване ще позволи събирането на достатъчно информация за TiN/AlTiN покритията, за да се определи влиянието на броя на двуслойните върху гореспоменатото поведение.

2. ЕКСПЕРИМЕНТАЛНА ЧАСТ

[TiN/AlTiN] n слоеве бяха отложени върху AISI 1045 (диаметър 2 cm; дебелина 4 mm) и Si (ориентация 100; 1,7 cm страна; 280 микрона дебелина) стоманени подложки, които бяха почистени с ултразвук в последователност от 15 минути в баня с етанол и ацетон. Покритията са получени с помощта на многоцелевата техника на магнетронно разпрашване при rf (13,56 MHz) в пилотната централа CDT ASTIN, регионална долина SENA (Колумбия). За отлагане на покритията са използвани мишени с диаметър Ti и Al с диаметър 4 инча с чистота 99,9%.

Базовото налягане във вакуумната камера е 7.0x10 -6 mbar. Преди започване на отлагането, субстратите бяха подложени на плазмено почистване в продължение на 20 минути в Ar атмосфера при отклонение от -400V в rf. По време на растежа работните газове представляват смес от Ar (93%) и N2 (7%) с общо работно налягане 6x10 -3 mbar при температура на основата 300 ° C и RF отклонение на субстрата от -70V и мощност от 350W. За отлагането на многопластовете алуминиевата мишена периодично се покрива от затвора, докато субстратът се държи под кръгово въртене пред мишените, за да се улесни образуването на покритията. Диаграма на многоцелевата система за разпръскване на магнетрон, използвана при разработването на изследването, е представена на фигура 1.

корозионна

За да се изследва влиянието на синергията между динамичната корозия, ерозията и ерозионната корозия (фигура 2), на многослойни покрития, системи [TiN/AlTiN] n са депозирани с периоди от 2, 6, 12 и 24 двуслоя, контролиращи затвора време за отваряне и затваряне. Дебелината на покритията е получена с помощта на профилометър DEKTAK 8000 с диаметър на върха 12 ± 0,04 μm при дължина на сканиране между 1000 μm ? 1200 μm. За пробата от 2 двуслоя дебелината е била 1,72 ± 0,04 μm и тъй като покритията са получени при същите параметри на растеж и общо време на нанасяне (3 часа), е възможно да се потвърди, че многослойните системи имат дебелина около тази стойност.

По отношение на оценката на устойчивостта на корозия и ерозия е използвано оборудване с ротационен цилиндър, което се състои от стъклен съд, в който се съдържа разтворът, акрилен капак, в който еталонният електрод (Ag/AgCl), противоположният електрод (графит ) и държача на пробата с площ на експозиция на пробата 1 cm 2. Този държач на пробата беше разположен под ъгъл на въздействие на флуида от 90 °. В допълнение, оборудването се състои от работно колело HUMWPE (Ultra High Molecular Weight Polyethylene), приспособено към вала на мотор, което генерира движението на разтвора и въздействието върху пробата (Фигура 3) [9]. Скоростта на въртене е 2780 rpm, осигурявайки максимална линейна скорост на частицата от 16 m s -1 .

3. РЕЗУЛТАТИ И ДИСКУСИЯ

3.1 Динамична корозия

Намаляването на корозионната плътност на корозията в [TiN/AlTiN] n многослойни покрития може да се отдаде на степента на порьозност, налична във филмите, което предполага, че порьозността намалява с увеличаването на броя на двуслоевете, могат да се получат порьозностите в двуслоите в покритието чрез ядрени явления по време на растежа на слоевете, генерирайки пътища с по-малко съпротивление за преминаване на Cl йона [16-20].

Изместването на кривите на Tafel към положителни потенциали с увеличаване на броя на приложените слоеве се дължи на естеството на многослойни структури, тъй като увеличаването на броя на двуслоевете увеличава броя на интерфейсите между TiN и AlTiN монослоевете. Тъй като интерфейсите са области, в които възникват структурни нарушения, те генерират промяна в кристалографската ориентация, те действат като дисперсионни точки, възпрепятстващи миграцията на Cl йона от повърхността към металната подложка и забавящи началото на корозивни процеси [4]. Това означава, че енергията, необходима на йоните в разтвора, за да мигрират свободно от повърхността към интерфейса филм/субстрат, е по-голяма с увеличаването на броя на двойните слоеве, това поведение се отразява в намаляването на плътността на корозионния ток. степен на корозия (таблица 1) [6].

3.3 Корозионна ерозия

При сравняване на поведението на различните [TiN/AlTiN] n многослойни се установява, че за изследваните материали корозионните потенциали, тъй като плътностите на корозията са много сходни помежду си за бислоите 2, 6 и 12. Освен това е възможно да се наблюдава явление на генерализирана корозия главно, наличието на плато с плътност на тока и зоната на модификация на кривите поради загуба на пасивност и генериране на локализирана корозия, като последната е различна във всеки случай, тъй като кинетиката на реакцията зависи от броят на двуслоевете, като е по-бърз за двуслой 2, последван от двуслой 6, 12 и 24, в намаляващ ред.

Данните, записани в таблица 2, ефективно показват по-ниски електрохимични характеристики в сравнение с динамичната корозия (фигура 4 и таблица 1), в сравнение с ерозионната корозия, която показва относително приемливо намаляване на корозионните потенциали и плътности. За многослойни с 2 двуслоя и дори малко по-добри отколкото двуслойни 6, 12 и 24.

Като цяло данните (таблица 1) показват добро поведение на всички анализирани покрития в сравнение с основния материал, когато са подложени на корозивни явления. Когато обаче е подложен на корозивно-ерозивен поток (таблица 2), пасивният филм, който обикновено се образува на повърхността, се елиминира и отстранява чрез действието на твърди частици, което води до загуба на антикорозионната защита. Корозията, от друга страна, намалява устойчивостта на тези покрития на повърхността и благоприятства увеличаването на скоростта на корозия в сравнение с динамичната корозия (фигура 4).

3.4 Сканираща електронна микроскопия.

Фигура 7 показва напречен разрез на микроснимка на TiN/AlTiN многослойни n = 6 (nm = 500 nm). По-тъмният контраст на слоевете AlTiN спрямо TiN позволява ясно определяне на слоестата структура. Тези TiN/AlTiN покрития представят добре дефинирана и еднаква периодичност, стойността на дебелината, измерена с помощта на SEM микрофотографията, е подобна на проектираната стойност. Единственото отклонение беше относителната нанометрична дебелина, тези отклонения са трудни за оценка поради ниската разделителна способност на TiN/AlTiN интерфейсите, получени чрез тази техника.

Микрографиите на фигура 8 показват резултатите от корозивната атака. Тези микрофотографии се правят на повърхността на субстрата и многослоя с 2,6,12 и 24 двуслоя след процеса на корозионна ерозия при ъгъл на удар от 90 °. Фигура 8а показва площ на основата, която е била влошена поради ефекта на динамична корозия. Фигура 8b, c, d и e, показва как покритието е претърпяло механизми на износване на пукнатини, могат да се разграничат различни области.: 1) той показва процеса на разграждане поради общата корозия, показана в поляризационните криви 2) вреден ефект, генериран от действието на корозия и напукване на покритието, генерирано от енергията на удара на абразивните силициеви частици. Наблюдават се и сиви области, където защитният ефект е генерирал защитни механизми, създаващи зони с ниско напукване. Тези области показват повърхност без счупване, чиято защита е предоставена от многопластовете; локализирани корозионни огнища се наблюдават на повърхността на покритието на 24 двуслоя, което може да бъде свързано с реакцията, генерирана в анодните поляризационни криви, където при -117 mV vs. Ag/AgCl, настъпва атака с ямки.

4. ЗАКЛЮЧЕНИЯ

Поляризационните криви на Tafel, получени при динамичните тестове за корозия и корозия на ерозия, показват доброто представяне, генерирано от многослойните, поради увеличаването и изместването към положителните потенциали при увеличаване на бислоите. В допълнение се наблюдава как поведението срещу корозионна ерозия се подобрява с многослойни покрития, което се вижда при изместването на кривите към по-ниски стойности на плътността на тока по отношение на основата, по същия начин това поведение се подобрява с нарастването от периода на бислоите. Всички поляризационни криви на Tafel показват общо разтваряне и последваща локализирана корозия, това поведение се дължи на агресивния ефект, генериран от корозията и добавянето на ерозия заедно, препоръчва се покритията да се обработват със система за катодна защита с цел да се отстрани тип корозия не влияе върху покритието при агресивни условия.

Поведението на многослойните в условията на ерозия и ъгъл на удар от 90 ° показват, че покритията генерират значително намаляване на загубата на материал при тези обстоятелства, когато се нанасят върху стомана 1045, загубата на маса за този тип покрития е по-малко особено за многослойна с n = 24. Ерозивният ефект в многослойните слоеве позволява да се установят добри механични свойства, генерирайки поглъщане и разпределение на енергията на удара, т.е. когато броят на двойните слоеве нараства, загубата на маса намалява.

В механизма за взаимодействие на корозионната ерозия се доказва едновременност в процесите: механично отстраняване на материала (субстрат и многослойни) чрез ерозия и електрохимичен корозионен процес.

Използвайки техниката SEM, се наблюдава защитен ефект на многослойните слоеве. В пробите с покритие се наблюдават механизми на износване поради напукване, претърпено от ерозивния ефект, и някои области на генерализирана корозия поради ефекта на корозия.

5. ПРИЗНАВАНИЯ

Авторите на тази работа изразяват своята благодарност към Административния отдел за наука, технологии и иновации, Colciencias, за подкрепата за изпълнението на това проучване.

6. ЛИТЕРАТУРА

1. Fang Y, Pang X, Zhang G. Наука за корозията. 2008; 50 (10): 2796 ? 2803. [Връзки]

2. Munz W, Donohue L, Hovsepian P. Surf. Палто. Технол. 2000; 125 (1-3): 269 ? 277. [Връзки]

3. Blackthorn J.L., Fox-Rabinovich J.L. и Gey C. Технология за повърхности и покрития. 2006; 200 (24): 6840-6845. [Връзки]

4. Soutoa R.M. и Alanyalib H. Corrosion Science. 2000; 42 (12): 2201-2211. [Връзки]

5. Ding X-Z. Тънки твърди филми. 2008; 516 (16): 5716-5720. [Връзки]

6. Correa F, Caicedo J.C, Aperador W, Rincón C.A, Bejarano G. Rev. Fac. Ing. Univ. Antioquia. 2008; 46 (1): 7-14. [Връзки]

7. Ramalingam S. и Zheng L. Напрежения на интерфейса филм-субстрат и тяхната роля в трибологичните характеристики на повърхностните покрития. Tribol Int. 1995; 28 (3): 145 - 161. [Връзки]

8. Caicedo J.C, Amaya C, Yate L, Zambrano G, Gómez M.E, Alvarado-Rivera J, Prieto P, Muñoz-Saldaña J. Appl. Сърфирайте. Sci.2010; 256 (20): 5898 ? 5904. [Връзки]

9. Payan H, Aperador W и Vargas A. Sciencia et Technica. 2008; 38 (2): 177-180. [Връзки]

10. Стандартни референтни методи за изпитване на ASTM G5 за извършване на измервания на потенциостатични и потенциодинамични анодни поляризации, West Conshohocken, PA, Американско общество за изпитване и материали, 2003 г. [Връзки]

11. ASTM G59-04 Стандартен метод за изпитване за провеждане на измервания на съпротивление на потенциодинамична поляризация, West Conshohocken, PA, Американско общество за изпитване и материали, 2004. [Връзки]

12. ASTM 119 (93). Стандартно ръководство за определяне на синергизма между износването и корозията. West Conshohocken, PA. Американско общество за изпитване и материали, 2009. [Връзки]

13. Афрасиаби А, Сареми М, Кобаяши А. Матер. Sci. Eng. A. 2008; 478 (20): 264 ? 269. [Връзки]

14. Stack M.M и Abd El Badia T.M. Износване. 2008; 264 (9 ? 10): 826 ? 837. [Връзки]

15. Bejarano G, Caicedo J.C, Adam G. и Gottschalk S. Phys. статистика. Слънце. (° С). 2007; 4 (10): 4260 ? 4266. [Връзки]

16. Tato W, Landolt D. J. Electrochem. Soc.1998; 145 (12): 4173-4181. [Връзки]

17. Moreno H, Caicedo JC, Amaya C, Cabrera G, Yate L, Aperador W, Prieto P. Diamond and Related Materials. 2011; 20 (4): 588-595. [Връзки]

18. Caicedo J.C., Amaya C., Cabrera G., Esteve J., Aperador W., Gómez M.E., Prieto P. Защита на повърхността от корозия чрез използване на многопластова система от титанов въглероден нитрид/титаниево-ниобиев въглероден нитрид. Тънки твърди филми 2011; 519 (19): 6362-6368. [Връзки]

19. Nieto J, Caicedo J, Amaya C, Moreno H, Aperador W, Tirado L, Bejarano G. DYNA. 2010; 77 (162): 161-168. [Връзки]

20. Морено LH, Caicedo JC, Martínez F, Bejarano G, Battaille TS, Prieto P. JBSMSE. 2010; 32 (2): 114-118. [Връзки]