Shanin S.A. et al. 2018 Vol. 20 No. 1

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 20 № 1 2018 70 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ на основе соединений тугоплавких металлов. Такие покрытия широко применяются в совре- менной технике. Особое место в поверхностной модификации детали занимают многослойные покрытия. Использование многослойных по- крытий из антифрикционных и износостойких материалов связано с возможностью получения композитных структур, обладающих высокими антифрикционными свойствами при сохране- нии на необходимом уровне износостойкости и прочностных свойств [7, 8]. Метод ионно- плазменного напыления является одним из пер- спективных способов, позволяющих наносить широкий спектр многослойных покрытий. В на- стоящее время активно ведется работа по изуче- нию структур и свойств покрытий, полученных методом ионно-плазменного осаждения [9–11]. Математическое моделирование является хорошей альтернативой подробных экспери- ментальных исследований, которые позволяют изучить отдельные явления на разных стадиях роста покрытия и дать прогноз относительно изменения состава и макроскопических свойств покрытия при варьировании технологических условий, что дает возможность оптимизировать технологический процесс. Теоретические работы в этой области, как правило, описывают отдельные стадии процес- са осаждения покрытий [12], сводят связанные явления к термическому [13, 14] или диффузи- онному [15] описанию процесса, напряжениям в окрестности отдельно взятых зародышей и т. д. Довольно редко встречаются связанные модели роста покрытий. Модели, оценивающие напря- жения в диффузионной зоне по распределени- ям температуры и концентрации, полученных в рамках несвязанных моделей, не решают проблемы. В моделях механики растущих тел [16–17] не берутся во внимание химические и физические процессы, которые являются при- чиной возникновения остаточных напряжений, а также необратимых деформаций. В этой связи построение связанной модели, учитывающей совместно протекающие процессы деформиро- вания, массопереноса, теплопереноса и кине- тических явлений, представляется актуальной задачей. Основной целью настоящей работы являет- ся определение степени влияния перекрестных эффектов, а также взаимного влияния процессов переноса на формирование состава многослой- ного покрытия при осаждении из плазмы на под- ложку. Методика исследований Математическая модель формирования со- става покрытия разделена на две подзадачи. Первая подзадача – теплодиффузионная, кото- рая с учетом перекрестных эффектов, таких как диффузионная теплопроводность и термодиф- фузия, описывает процесс нанесения покрытия, диффузию осаждаемых химических элементов, формирование химических соединений. Вторая подзадача – механическая, служит для описания в процессе осаждения покрытия напряженно- деформированного состояния образца. Эти под- задачи взаимосвязаны, поскольку учитываются напряжения, зависящие от изменения состава и температуры, а также влияния напряжений на процессы переноса. Модель учитывает также то, что в процессе нанесения многослойных покры- тий изменяется состав плазмы в соответствии с условиями эксперимента. Образец изготовлен из железа и представляет собой цилиндр (с внутренним и внешним ради- усами R 1 и R 2 ), который в процессе осаждения покрытия вращается с постоянной угловой ско- ростью вокруг своей оси. На его поверхности растет покрытие за счет осаждения хрома (Cr), азота (N) и титана (Ti), находящихся в окружа- ющей плазме. Многослойность покрытия до- стигается за счет того, что тугоплавкие металлы поступают в плазму не одновременно, а пооче- редно (рис. 1). Рис. 1. Иллюстрация к постановке задачи Fig. 1. Illustration to the problem statement