Наноструктурированные керамические покрытия не утомляются, показали исследования

Oct 01, 2023

17 ноября 2022 г.

Венского технологического университета

Чрезвычайно тонкие керамические покрытия могут полностью изменить свойства технических компонентов. Покрытия используются, например, для повышения устойчивости металлов к нагреву или коррозии. Процессы нанесения покрытий играют важную роль для больших турбинных лопаток, а также для инструментов, подвергающихся экстремальным нагрузкам в производственных технологиях.

TU Wien (Вена) теперь исследовал, что определяет стабильность таких покрытий. И результаты, часть из которых была получена на синхротроне DESY в Гамбурге, весьма удивительны: керамические слои разрушаются совершенно иначе, чем металлические. Усталость материала практически не играет роли; решающим фактором является интенсивность пиков экстремальных нагрузок (так называемый коэффициент интенсивности напряжений). Это открытие изменит метод, используемый для измерения и дальнейшего улучшения сопротивления тонких пленок в будущем.

Исследование опубликовано в Acta Materialia.

«Во многих случаях периодические нагрузки представляют собой большую проблему», — говорит профессор Хельмут Ридл, руководитель исследовательской группы по прикладным технологиям поверхностей и покрытий в Институте материаловедения и технологий Венского технического университета. «Если вы снова и снова подвергаете металлические компоненты определенной силе, изменения происходят в микроскопическом масштабе». Некоторые атомы могут смещаться, образуются слои, которые могут скользить друг по другу, могут образовываться крошечные трещины, которые в конечном итоге приводят к разрушению всего компонента. Такие эффекты усталости материалов широко распространены в технике и хорошо изучены.

Однако что происходит с тонкими покрытиями под нагрузкой, менее ясно. «Керамические покрытия часто имеют толщину всего от нескольких нанометров до 10 мкм, их поведение полностью отличается от поведения твердого куска керамики», — говорит Лукас Заунер, который работает над своей диссертацией в Исследовательской группе по технологиям прикладных поверхностей и покрытий.

Чтобы глубже понять это поведение, в Венском техническом университете были разработаны совершенно новые методы измерения: вместо совместного тестирования металла и керамического покрытия, как это обычно делается, команда исключила металл и изготовила чрезвычайно тонкие образцы различных обычно используемых керамических материалов. в тонкопленочной технологии и подвергали их различным нагрузкам точно определенным образом — снова и снова, до десяти миллионов раз.

Чтобы точно выяснить, изменяется ли в результате атомная структура керамики, команда отправилась с экспериментальной установкой в ​​Гамбург: там на синхротроне DESY доступны чрезвычайно хорошо сфокусированные рентгеновские лучи, которые можно использовать для изучения различных точках образца во время эксперимента по нагружению. Таким образом можно обнаружить даже крошечные изменения в кристаллической структуре или расстоянии между соседними атомами.

Но на удивление эти замеры показали: Керамика практически не меняется. Даже миллионы циклов нагрузки не приводят к усталости материала. «Стандартная керамика будет утомляться по определенным закономерностям, подобным усталости, которую мы знаем по металлам. Но эти чрезвычайно тонкие слои не демонстрируют такого поведения», — говорит Хельмут Ридл. «Их микроструктура в конце такая же, как и в начале».

Это значит, что долговечность тонких слоев определяется исключительно их вязкостью разрушения: если превысить предельную нагрузку, свойственную материалу, то слой разрушается — внезапно и необратимо. Однако все нагрузки ниже этого предела не являются проблемой, не старят керамический слой, практически не оказывают никакого влияния.

«Конечно, это также меняет стратегию разработки исследовательских проектов по созданию новых, улучшенных материалов для керамических покрытий», — говорит Хельмут Ридл. «Вам не нужно проводить длительные долгосрочные испытания, достаточно с помощью простого испытания на нагрузку выяснить, какой материал под какой силой разрушается. Вам не нужно беспокоиться о том, как можно смягчить усталостные эффекты в материале, вы просто нужно найти материалы с максимально возможной вязкостью разрушения — даже это непростая задача сама по себе».