ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Современная техника эксплуатируется, как правило, в условиях высоких механических нагрузок и повышенных температур, что, в свою очередь, приводит к необходимости создания новых материалов, имеющих повышенные физико-механические свойства. Для повышения эксплуатационных свойств деталей машин все большее распространение получают методы магнетронного и вакуумно-дугового нанесения покрытий из тугоплавких материалов. Математическое моделирование является хорошей альтернативой подробных экспериментальных исследований, позволяющих изучить отдельные явления на разных стадиях роста покрытия и дать прогноз относительно изменения состава и макроскопических свойств покрытия при варьировании технологических условий. Это, в свою очередь, позволяет оптимизировать технологический процесс. Цель работы: определение степени влияния перекрестных эффектов, а также взаимного влияния процессов переноса на формирование состава многослойного покрытия при осаждении из плазмы на подложку. В работе исследованы связанная математическая модель формирования состава многослойного покрытия при осаждении из плазмы титана, хрома и азота. В модели учитываются влияние градиента напряжений на потоки тепла и масс, термодиффузия и диффузионная теплопроводность. Методами исследования являются вычислительные методы. Результаты и обсуждение. Теоретически исследовано влияние перекрестных эффектов, а также взаимного влияния процессов переноса в формировании состава многослойного покрытия, осаждаемого из плазмы. Показано, что состав плазмы влияет на эволюцию состава покрытия. Определено, что учет переноса массы и тепла за счет градиента напряжений оказывает ощутимое влияние на состав покрытия. Обнаружено, что для выбранных систем термодиффузия и диффузионная теплопроводность оказывают влияние на распределение концентраций только на начальной стадии процесса осаждения покрытия.

1. Fan W., Bai Y. Review of suspension and solution precursor plasma sprayed thermal barrier coatings // Ceramics International. – 2016. – Vol. 42, iss. 13. – P. 14299–14312. – doi: 10.1016/j.ceramint.2016.06.063.

2. Bobzin K. High-performance coatings for cutting tools // CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology. – 2017. – Vol. 18. – P. 1–9. – doi: 10.1016/j.cirpj.2016.11.004.

3. Ephremenkov E.A., Kobza E.E., Efremenkova S.K. Force analysis of double pitch point cycloid drive with intermediate rolling elements and free retainer // Applied Mechanics and Materials. – 2015. – Vol. 756. – P. 29–34. – doi: 10.4028/www.scientific.net/AMM.756.29.

4. Wear resistance investigation of titanium nitride-based coatings / Santecchia E., Hamouda A.M.S., Musharavati F. E. Zalnezhad, M. Cabibbo, S. Spigarelli // Ceramics International. – 2015. – Vol. 41, iss. 9. – P. 10349–10379. – doi: 10.1016/j.ceramint.2015.04.152.

5. Corrosion resistance of CrN and CrCN/CrN coatings deposited using cathodic arc evaporation in Ringer's and Hank's solutions / A. Gilewicz, P. Chmielewska, D. Murzynski, E. Dobruchowska, B. Warcholinski // Surface and Coatings Technology. – 2016. – Vol. 299. – P. 7–14. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2016.04.069.

6. Corrosion protection of steel with multilayer coatings: improving the sealing properties of physical vapor deposition CrN coatings with Al2O3/TiO2 atomic layer deposition nanolaminates / J. Leppäniemi, P. Sippola, M. Broas, J. Aromaa, H. Lipsanen, J. Koskinen // Thin Solid Films. – 2017. – Vol. 627. – P. 59–68. – doi: https://doi.org/10.1016/j.tsf.2017.02.050.

7. Yang Y.H., Wu F.B. Microstructure evolution and protective properties of TaN multilayer coatings // Surface and Coatings Technology. – 2006. – Vol. 308. – P. 108–114. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2016.05.091.

8. CrVN/TiN nanoscale multilayer coatings deposited by DC unbalanced magnetron sputtering / E. Contreras, Y. Galindez, M.A. Rodas, G. Bejarano, M.A. Gómez // Surface and Coatings Technology. – 2017. – Vol. 332. – P. 214–222. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2017.07.086.

9. Пузряков А.Ф. Теоретические основы плазменного напыления. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. – 360 с.

10. Microstructural design and properties of supersonic suspension plasma sprayed thermal barrier coatings / W. Fan, Y. Bai, J.R. Li, Y. Gao, H.Y. Chen, Y.X. Kang, W.J. Shi, B.Q. Li // Journal of Alloys and Compounds. – 2017. – Vol. 699. – P. 763–774. – doi: 10.1016/j.jallcom.2016.12.356.

11. Enhanced surface properties of aluminum by PVD-TiN coating combined with cathodic cage plasma nitriding / M.I. Bashir, M. Shafiq, M. Naeem, M. Zaka-ul-Islam, J.C. Díaz-Guillén, C.M. Lopez-Badilloe, M. Zakaullaha // Surface and Coatings Technology. – 2017. – Vol. 327. – P. 59–65. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2017.08.015.

12. Simulation of phase transformation kinetics in thin films under a constant nucleation rate / M. Moghadam, E. Pang, T. Philippe, P. Voorhees // Thin Solid Films. – 2016. – Vol. 612. – P. 437–444.

13. Prediction of the properties of PVD/CVD coatings with the use of FEM analysis / A. Sliwa, J. Mikula, K. Golombek, T. Tanski, M. Bonek // Applied Surface Science. – 2016. – Vol. 388. – P. 281–287.

14. Bogdanovich V.I., Giorbelidze M.G. Mathematical modelling of thin-film polymer heating during obtaining of nanostructured ion-plasma coatings // Procedia Engineering. – 2017. – Vol. 201. – P. 630–638. – doi: 10.1016/j.proeng.2017.09.677.

15. Monte Carlo simulation of the PVD transport process for alloys / E. Lugscheider, K. Bobzin, N. Papenfu?-Janzen, D. Parkot // Surface and Coatings Technology. – 2005. – Vol. 200. – P. 913–915.

16. Ali R., Sebastiani M., Bemporad E. Influence of Ti–TiN multilayer PVD-coatings design on residual stresses and adhesion // Materials & Design. – 2015. – Vol. 75. – P. 47–56.

17. Experimental and modeling study on the role of Ar addition to the working gas on the development of intrinsic stress in TiN coatings produced by filtered vacuum-arc plasma / V.V. Vasyliev, A.I. Kalinichenko, E.N. Reshetnyak, G. Taghavi Pourian Azar, M. Ürgen, V.E. Strel'nitskij // Thin Solid Films. – 2017. – Vol. 642. – P. 207–213. – doi: 10.1016/j.tsf.2017.08.033.

18. Knyazeva A.G., Shanin S.A. Modeling of evolution of growing coating composition // Acta Mechanica. – 2016. – Vol. 227, iss. 1. – P. 75–104. – doi: 10.1007/s0070.

19. Физические величины: справочник / под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. – М.: Энергоатомиздат, 1991. – 1232 с.

20. Термодинамические свойства неорганических веществ: справочник / У.Д. Верятин, В.П. Маширев, Н.Г. Рябцев, В.И. Тарасов, Б.Д. Рогозкин, И.В. Коробов; под общ. ред. А.П. Зефирова. – М.: Атомиздат, 1965. – 460 с.

21. Карапетьянц М.Х. Химическая термодинамика. – М.: Химия, 1975. – 584 с.