RU2772247C1 - Method for measuring internal stresses in multilayer nanostructured coatings based on the use of synchrotron radiation - Google Patents
Method for measuring internal stresses in multilayer nanostructured coatings based on the use of synchrotron radiation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2772247C1 RU2772247C1 RU2021136614A RU2021136614A RU2772247C1 RU 2772247 C1 RU2772247 C1 RU 2772247C1 RU 2021136614 A RU2021136614 A RU 2021136614A RU 2021136614 A RU2021136614 A RU 2021136614A RU 2772247 C1 RU2772247 C1 RU 2772247C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- coating
- multilayer
- radiation
- ray
- hkl
- Prior art date
Links
- 230000035882 stress Effects 0.000 title claims abstract description 69
- 230000005469 synchrotron radiation Effects 0.000 title claims abstract description 44
- 239000002103 nanocoating Substances 0.000 claims abstract description 10
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims abstract description 9
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 81
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 81
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 36
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 claims description 16
- 230000011514 reflex Effects 0.000 claims description 13
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 11
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 5
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 4
- 238000005507 spraying Methods 0.000 abstract description 3
- 229910008322 ZrN Inorganic materials 0.000 description 38
- 229910019912 CrN Inorganic materials 0.000 description 20
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 15
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 10
- 238000000034 method Methods 0.000 description 8
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 7
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 6
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 description 4
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 description 4
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 4
- 238000004626 scanning electron microscopy Methods 0.000 description 4
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 3
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 3
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 239000000320 mechanical mixture Substances 0.000 description 2
- 229910004542 HfN Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminum Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 239000010408 film Substances 0.000 description 1
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 1
- 238000007373 indentation Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- 238000002493 microarray Methods 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 230000003313 weakening Effects 0.000 description 1
- 238000004846 x-ray emission Methods 0.000 description 1
- 238000004874 x-ray synchrotron radiation Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИFIELD OF TECHNOLOGY
Изобретение относится к измерительной технике с использованием методов рентгеноструктурного анализа, а именно к методам определения внутренних (остаточных) напряжений в многослойных покрытиях, созданных напылением.The invention relates to measuring technique using X-ray diffraction analysis methods, and in particular to methods for determining internal (residual) stresses in multilayer coatings created by spraying.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИPRIOR ART
Известны методы определения остаточных напряжений в материалах с использованием рентгеновского излучения, к ним относятся методы, раскрытые, например, в патенте РФ: RU 2427826 C1 (опубл. 27.08.2011) Способ определения остаточных напряжений в изделиях из монокристаллических материалов рентгеновским методом. Сущность метода заключается в том, что на поверхности контролируемого изделия выбирают направление, в котором будут определять остаточные напряжения, и кристаллографические плоскости, на которые воздействуют пучком рентгеновского излучения, регистрируют дифракционную картину, определяют угловые положения рефлексов, по взаимному расположению которых определяют остаточные напряжения, при этом для определения остаточных напряжений в выбранном и перпендикулярном выбранному направлениях используют такие кристаллографические плоскости, рефлексы от которых находятся в прецизионной области и проекции нормалей которых на поверхность контролируемого изделия имеют минимальный угол отклонения от выбранного направления, затем поочередно выводят выбранные плоскости в отражающее положение путем вращения и наклона образца, воздействуют параллельным рентгеновским пучком на контролируемое изделие, регистрируют рефлексы от выбранных плоскостей, обрабатывают рефлексы для определения угловых положений, определяют истинные периоды кристаллических решеток каждой из фаз, неискаженные остаточными напряжениями, и затем остаточные напряжения, используя соответствующие математические выражения. Технической задачей предлагаемого изобретения является создание способа определения остаточных напряжений в изделиях из однофазных и многофазных монокристаллических материалов рентгеновским методом, позволяющего измерять истинные периоды решеток фаз без искажений и остаточные напряжения.Methods for determining residual stresses in materials using X-ray radiation are known, these include methods disclosed, for example, in the patent of the Russian Federation: RU 2427826 C1 (publ. 27.08.2011) method.The essence of the method lies in the fact that on the surface of the controlled product, the direction is chosen in which the residual stresses will be determined, and the crystallographic planes, which are affected by the X-ray beam, register the diffraction pattern, determine the angular positions of the reflections, by the relative position of which the residual stresses are determined, at in order to determine the residual stresses in the selected and perpendicular to the selected directions, such crystallographic planes are used, the reflections from which are in the precision region and the projections of the normals of which on the surface of the controlled product have a minimum angle of deviation from the selected direction, then the selected planes are alternately brought into the reflecting position by rotation and sample inclination, the controlled product is affected by a parallel X-ray beam, the reflections from the selected planes are recorded, the reflections are processed to determine the angular positions, defining determine the true periods of the crystal lattices of each of the phases, undistorted by residual stresses, and then the residual stresses, using the appropriate mathematical expressions. The technical objective of the invention is to create a method for determining residual stresses in products from single-phase and multi-phase single-crystal materials by the X-ray method, which allows measuring the true periods of phase lattices without distortion and residual stresses.
К недостаткам известного технического решения, описанного в RU2427826 C1 можно отнести то что, предложенный подход применяется для однофазных и многофазных монокристаллических материалов, чем не являются многослойные покрытия и следовательно не применим для определения напряжений в них.The disadvantages of the known technical solution described in RU2427826 C1 include the fact that, The proposed approach is applied to single-phase and multi-phase single-crystal materials, which are not multilayer coatings and, therefore, are not applicable for determining stresses in them.
Методы анализа с помощью рентгеновских лучей остаточных напряжений в тонкоплёночных материалах и покрытиях раскрыты в нижеприведенных патентных документах с использованием различных интерпретаций метода «sin2ψ».X-ray analysis methods for residual stresses in thin film materials and coatings are disclosed in the following patent documents using various interpretations of the "sin2ψ" method.
Известен метод для выполнения анализа напряжений посредством дифракции рентгеновских лучей для образца, такого как тонкая пленка, покрытие или полимер, раскрытый в заявке США [US2018372658 (A1) ― 2018-12-27]. Образец имеет поверхность с двумя перпендикулярными осями S1, S2 в плоскости поверхности и третьей осью S3, перпендикулярной плоскости поверхности образца. Луч рентгеновского излучения направляют на поверхность образца под относительно небольшим углом по отношению к плоскости поверхности. Энергия рентгеновского излучения дифрагируется от образца и детектируется двумерным детектором рентгеновского излучения при множестве вращательных ориентаций образца относительно S3. Третья ось S3 поддерживается под постоянным углом наклона в течение всего анализа напряжения дифракции рентгеновских лучей, тем самым избегая значительной ошибки, связанной с перемещением трека опоры гониометра, используемого для анализа напряжения дифракции рентгеновских лучей, и на котором выполняются измерения. при малом угле 2θ очень чувствительны.There is a known method for performing stress analysis by X-ray diffraction on a sample such as a thin film, coating or polymer disclosed in the US application [US2018372658 (A1) - 2018-12-27]. The sample has a surface with two perpendicular axes S1, S2 in the plane of the surface and a third axis S3 perpendicular to the plane of the surface of the sample. The X-ray beam is directed to the sample surface at a relatively small angle with respect to the surface plane. The X-ray energy is diffracted from the sample and detected by a two-dimensional X-ray detector at multiple rotational orientations of the sample with respect to S3. The third axis S3 is maintained at a constant tilt angle throughout the X-ray diffraction stress analysis, thereby avoiding significant error due to movement of the goniometer support track used for X-ray diffraction stress analysis and on which measurements are taken. at a small angle 2θ are very sensitive.
Известна заявка ЕПВ [EP2940461 (A1) ― 2015-11-04], в которой описан способ определения градиента остаточного напряжения в образце с использованием дифракции рентгеновских лучей, в котором образец поддерживается на держателе образца, определяющем плоскость образца, причем способ включает этапы облучения пучком рентгеновского излучения образца и обнаружение луча, дифрагированного образцом, с помощью детектора рентгеновского излучения, имеющего две степени свободы, при этом направления падающего луча и / или дифрагированного луча меняются в зависимости от образца и положения Детектор рентгеновского излучения имеет две степени свободы и определяет значения sin2Ψ и τµ, которые являются репрезентативными для градиента остаточного напряжения в образце, в зависимости от положения источника рентгеновского излучения и детектора рентгеновского излучения с учетом учитывать две степени свободы детектора, где Ψ - полярный угол, τ - глубина проникновения луча в образец, а µ - массовый коэффициент ослабления образца. Для улучшения этого метода предлагается, чтобы изменение направлений падающего луча и / или дифрагированного луча содержало поворот дифрагированного луча на угол 2θχ в плоскости, которая наклонена к плоскости образца, обозначенной в -плоскостное вращение руки. Метод позволяет очень точно анализировать градиенты остаточного напряжения, особенно на различной глубине тонких пленок или поверхностных покрытий, за счет обеспечения внутреннего поворот плоского плеча 2θχ как дополнительная степень свободы.EPO application [EP2940461 (A1) - 2015-11-04] is known, which describes a method for determining the residual stress gradient in a sample using X-ray diffraction, in which the sample is supported on a sample holder defining the plane of the sample, and the method includes the steps of beam irradiation x-ray emission from the sample and detection of the beam diffracted by the sample using an X-ray detector having two degrees of freedom, with the directions of the incident beam and/or the diffracted beam changing depending on the sample and position The X-ray detector has two degrees of freedom and determines the values of sin2Ψ and τµ, which are representative of the residual stress gradient in the sample, depending on the position of the X-ray source and the X-ray detector, taking into account two degrees of freedom of the detector, where Ψ is the polar angle, τ is the penetration depth of the beam into the sample, and µ is the mass factor os sample weakening. To improve upon this method, it is proposed that changing the directions of the incident beam and/or the diffracted beam comprise a rotation of the diffracted beam through an angle of 2θχ in a plane that is inclined to the plane of the sample, denoted by the -plane rotation of the arm. The method allows very accurate analysis of residual stress gradients, especially at different depths of thin films or surface coatings, by providing an internal rotation of the flat shoulder 2θχ as an additional degree of freedom.
Известен трехмерный конфокальный микролучевой измеритель напряжения рентгеновского излучения [CN110907484 (A) ― 2020-03-24]. Измеритель напряжения имеет возможность анализа напряжений с помощью рентгеновских лучей на микроплощадках, может измерять напряжение на поверхности образца или на определенной глубине в образце или напряжение внутреннего слоя пленки из многослойного пленочного материала, а также может обнаружить распределение напряжения посредством непрерывного трехмерного сканирования.A three-dimensional confocal microbeam X-ray voltage meter is known [CN110907484 (A) - 2020-03-24]. The stress tester has the ability to analyze micro-array X-ray stresses, can measure stress at the surface of a sample or at a certain depth in a sample, or the stress of an inner layer of a film laminate, and can detect stress distribution through continuous 3D scanning.
К недостаткам вышеперечисленных известных технических решений можно отнести то что, используемые методики не оптимизированы для количественного определения напряжений в многослойных покрытиях, так как не учитывают разницу в коэффициенте Пуассона, что вносит большую ошибку при количественном определении напряжения в многослойных покрытиях.The disadvantages of the above known technical solutions include the fact that the methods used are not optimized for the quantitative determination of stresses in multilayer coatings, since they do not take into account the difference in Poisson's ratio, which introduces a large error in the quantitative determination of stress in multilayer coatings.
К методам, использующим рентгеновское синхротронное излучение для определения остаточных напряжений, относятся нижеприведенные известные технические решения.Methods using X-ray synchrotron radiation to determine residual stresses include the following prior art.
Известно устройство – держатель, используемый при проведении рентгеноструктурных измерений для анализа материалов с помощью рентгеновского или синхротронного излучения, раскрытое в RU203691 U1 (опубл. 15.04.2021); рентгеноструктурные измерения с использованием предлагаемого устройства позволяют проводить исследования материалов в форме твердых тел, в том числе микроскопических размеров, при одновременном воздействии на них трех изменяющихся факторов: растягивающей нагрузки, электрического поля напряженностью до 20кВ/см и температурного фактора в диапазоне от -40 до 1000 градусов Цельсия; при этом держатель обеспечивает приложение к образцу растягивающей нагрузки и позволяет одновременно воздействовать на него температурным фактором и электрическим полем без перенастройки захвата образца; для детектирования деформации образца, он содержащей лазерный излучатель с фотодиодом и зеркало; для осуществления рентгеноструктурных измерений устройство располагают на гониометрической голове рентгеновского дифрактометра, монохроматизированное коллимированное рентгеновское излучение, выходя из коллиматора рентгеновской трубки, рассеивается на образце, после чего попадает в детектор, последний, в свою очередь, регистрирует дифракционную картину.A device is known - a holder used when carrying out X-ray structural measurements for analyzing materials using X-ray or synchrotron radiation, disclosed in RU203691 U1 (publ. 15.04.2021); X-ray diffraction measurements using the proposed device make it possible to study materials in the form of solids, including microscopic sizes, while simultaneously exposing them to three changing factors: tensile load, electric field strength up to 20 kV/cm and temperature factor in the range from -40 to 1000 degrees Celcius; while the holder provides the application of a tensile load to the sample and allows you to simultaneously act on it with a temperature factor and an electric field without reconfiguring the grip of the sample; for detecting the deformation of the sample, it contains a laser emitter with a photodiode and a mirror; to carry out X-ray structural measurements, the device is placed on the goniometric head of the X-ray diffractometer, the monochromatized collimated X-ray radiation, leaving the collimator of the X-ray tube, is scattered on the sample, after which it enters the detector, the latter, in turn, registers the diffraction pattern.
К недостаткам вышеописанного технического решения можно отнести не учет упругих постоянных, изменяющихся при исследовании многослойных покрытий.The disadvantages of the above technical solution include not taking into account elastic constants that change in the study of multilayer coatings.
Известен метод, раскрытый в [JP2012168075 (A) ― 2012-09-06], позволяющий точно и быстро измерить внутреннее напряжение материала, включая крупное зерно; предлагаемый способ измерения внутреннего напряжения согласно данного изобретения включает в себя следующие шаги:There is a method disclosed in [JP2012168075 (A) - 2012-09-06], which allows to accurately and quickly measure the internal stress of a material, including coarse grains; the proposed method for measuring internal stress according to the present invention includes the following steps:
– этап (S1) воздействия – экспонирования объекта, подлежащего измерению, путем воздействия синхротронного рентгеновского излучения; - stage (S1) exposure - exposure of the object to be measured by exposure to synchrotron X-rays;
– этап (S2) управления – использование двумерной щели для управления калибровочным объемом дифракции рентгеновских лучей, передаваемых от объекта, который должен быть измерен; – control step (S2) – using a two-dimensional slit to control the calibration volume of the diffraction of X-rays transmitted from the object to be measured;
– этап (S3) обнаружения – использование детектора двумерного рентгеновского излучения для обнаружения пятна дифракции в контролируемом измерительном объеме; –этап (S4) – повторение этапов от этапа экспонирования до этапа обнаружения путем перемещения объекта измерения; и - detection step (S3) - using a two-dimensional X-ray detector to detect a diffraction spot in a controlled measurement volume; -stage (S4) - repetition of stages from the exposure stage to the detection stage by moving the measurement object; and
– этап (S5) анализа для определения угла дифракции в позиции, эквивалентной центру измерительного объема, на основе обнаруженного пятна дифракции. На этапе анализа параболическое приближение применяется к отношению между положением дифракционного пятна и интенсивностью дифракции, а значение угла дифракции в положении, соответствующем вершине параболы, устанавливается равным углу дифракции в положении, соответствующем центру измерительного объема.– an analysis step (S5) for determining the diffraction angle at a position equivalent to the center of the measurement volume based on the detected diffraction spot. In the analysis step, the parabolic approximation is applied to the relationship between the position of the diffraction spot and the diffraction intensity, and the value of the diffraction angle at the position corresponding to the top of the parabola is set equal to the diffraction angle at the position corresponding to the center of the measurement volume.
К недостаткам вышеописанного технического решения можно отнести апробирование методики только для крупнокристаллических материалов и тем более не применялась к многослойным покрытиям с разными физическими свойствами в зависимости от слоя.The disadvantages of the above technical solution include testing the technique only for coarse-grained materials and, moreover, it was not applied to multilayer coatings with different physical properties depending on the layer.
Наиболее близким по технической сущности является техническое решение раскрытое в [ CN112326084 (A) ― 2021-02-05 ], а именно способ измерения остаточных напряжений текстуросодержащего материала путем использования рентгеновского излучения. После механической обработки стали, меди, алюминия и других пластин и полос может быть сформировано большое остаточное напряжение на поверхностях пластин и полос. Из-за существования текстуры анализ напряжений, с использованием рентгеновского излучения становятся затруднительными. Способ содержит следующие этапы: тестирование типа текстуры и объемного процента заготовки, затем измерение модуля Юнга и искажения решетки при соответствующей ориентации, и обратное выведение модуля Юнга и искажения решетки со взвешенной значимостью, используя узкую линейную зависимость d psi-sin2 psi при сильной ориентации, и, наконец, получают остаточное напряжение путем вычисления. Изобретение обеспечивает способ простого и удобного измерения остаточных напряжений с использованием рентгеновских лучей для пластины с выраженной текстурой.The closest in technical essence is the technical solution disclosed in [CN112326084 (A) - 2021-02-05], namely, a method for measuring the residual stresses of a texture-containing material by using X-rays. After machining steel, copper, aluminum and other plates and strips, a large residual stress can be formed on the surfaces of the plates and strips. Due to the existence of texture, stress analysis using X-rays becomes difficult. The method comprises the steps of testing the texture type and volume percent of the preform, then measuring Young's modulus and lattice distortion at the appropriate orientation, and inversely deriving Young's modulus and lattice distortion with weighted significance using a narrow linear relationship d psi-sin2 psi at strong orientation, and Finally, the residual stress is obtained by calculation. The invention provides a method for simple and convenient measurement of residual stresses using X-rays for a plate with a pronounced texture.
К недостаткам вышеописанного технического решения можно отнести использование расчетов в предположении, что исследуемый материал имеет выраженную текстуру и химически однороден.The disadvantages of the above technical solution include the use of calculations on the assumption that the material under study has a pronounced texture and is chemically homogeneous.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯDISCLOSURE OF THE INVENTION
В основу изобретения поставлена задача создания улучшенного способа определения остаточных напряжений в многослойных наноструктурированных покрытиях в процессе синхротронных исследований. The invention is based on the task of creating an improved method for determining residual stresses in multilayer nanostructured coatings in the process of synchrotron research.
Техническим результатом является повышение точности определения остаточных напряжений в многослойных наноструктурированных покрытиях.The technical result is to increase the accuracy of determining residual stresses in multilayer nanostructured coatings.
Поставленная задача решается тем, что предлагаемый способ измерения внутренних напряжений многослойных наноструктурированных покрытий, основанный на использовании синхротронного излучения, включает 2 этапа съемки рентгенограмм, первый с использованием симметричной схемы съемки и второй несимметричной схемы съемки, и количественное вычисление остаточного напряжения многослойного наноструктурированного покрытия, причем первый этап включает следующие шаги:The problem is solved by the fact that the proposed method for measuring the internal stresses of multilayer nanostructured coatings, based on the use of synchrotron radiation, includes 2 stages of shooting radiographs, the first one using a symmetrical survey scheme and the second non-symmetrical survey scheme, and quantitative calculation of the residual stress of the multilayer nanostructured coating, the first step including the following steps:
а) установку образца, имеющего на поверхности многослойное наноструктурированное покрытие, на гониометре с использованием симметричной схемы съемки (фокусировка по Брэггу-Брентано);a) installation of a sample with a multilayer nanostructured coating on the surface on a goniometer using a symmetrical shooting scheme (Bragg-Brentano focusing);
б) экспонирование образца, подлежащего измерению, путем воздействия монохроматического синхротронного излучения в рентгеновском диапазоне излучения в диапазоне углов 2Θ, выбранном в зависимости от материала покрытия; b) exposing the sample to be measured by exposure to monochromatic synchrotron radiation in the X-ray range of radiation in the range of angles 2Θ, selected depending on the coating material ;
в) регистрация и запись рентгенограммы с использованием детектора излучения после осуществления симметричной схемы съемки с фокусировкой по Брэггу-Брентано;c) registration and recording of a radiograph using a radiation detector after the implementation of a symmetrical shooting scheme with Bragg-Brentano focusing;
г) определение угловых положений (2Θ) рефлексов (hkl) и идентификация всех фаз, составляющих многослойное покрытие, в пределах зарегистрированной рентгенограммы для выбора диапазона углов 2Θ для экспонирования образца на втором этапе;d) determining the angular positions ( 2Θ ) of the reflections ( hkl ) and identifying all the phases that make up the multilayer coating within the recorded X-ray pattern to select the range of angles 2Θ for exposing the sample at the second stage;
причем второй этап включает следующие шаги:and the second stage includes the following steps:
д) установку образца на гониометре с использованием несимметричной схемы съемки, обеспечивающей постоянный угол ψ между поверхностью образца многослойных наноструктурированных покрытий и падающим пучком монохроматического синхротронного излучения в рентгеновском диапазоне излучения равный 0°;e) installation of the sample on the goniometer using an asymmetric shooting scheme that provides a constant angle ψ between the surface of the sample of multilayer nanostructured coatings and the incident beam of monochromatic synchrotron radiation in the X-ray radiation range equal to 0°;
е) экспонирование объекта, подлежащего измерению с использованием несимметричной схемы съемки, путем воздействия монохроматического синхротронного излучения в рентгеновском диапазоне излучения в диапазоне углов сканирования 2ΘΨ, обеспечивающем регистрацию рентгенограммы в диапазоне углов углов 2Θ Ψ , необходимом (или достаточным) для описания профиля рефлекса на рентгенограмме относительно каждого определенного на первом этапе углового положения рефлексов (hkl) фаз, составляющих многослойное покрытие, определенных по симметричной схеме съемки;f) exposing an object to be measured using an asymmetric shooting scheme by exposure to monochromatic synchrotron radiation in the X-ray radiation range in the range of scanning angles 2Θ Ψ , which ensures the registration of the radiograph in the range of angles of angles 2Θ Ψ , necessary (or sufficient) to describe the reflection profile on the radiograph with respect to each determined at the first stage of the angular position of the reflections (hkl) of the phases that make up the multilayer coating, determined by the symmetrical survey scheme;
ж) определение угловых положений рефлексов для фаз, составляющих многослойное покрытие, в пределах зарегистрированной рентгенограммы несимметричной схемы съемки;g) determination of the angular positions of the reflections for the phases that make up the multilayer coating within the limits of the recorded X-ray pattern of the asymmetric survey scheme;
з) повторение шагов д), е) и ж) с изменением угла наклона поверхности ψ многослойного наноструктурированного покрытия с шагом 5° в сравнении с установленным на этапе 6 углом ψ вплоть до достижения значения ψ=30°, достаточным для линейной аппроксимации и обеспечения необходимой точности количественного определения напряжений в многослойных покрытиях, при этом этапы е) и ж) повторяются без изменений;h) repetition of steps e), f) and g) with a change in the angle of inclination of the surface ψ of the multilayer nanostructured coating with a step of 5° in comparison with the angle ψ established at step 6 until the value ψ=30° is reached, sufficient for linear approximation and providing the necessary accuracy of quantitative determination of stresses in multilayer coatings , while steps f) and g) are repeated without changes;
причем количественное вычисление остаточного напряжения многослойного наноструктурированного покрытия осуществляют на основе значений константы напряжения M(hkl) (вычисленной на основе значений эффективного модуля упругости и коэффициента Пуассона, вычисленного с использованием правила смеси).moreover, the quantitative calculation of the residual stress of the multilayer nanostructured coating is carried out based on the values of the stress constant M(hkl) (calculated based on the values of the effective modulus of elasticity and Poisson's ratio, calculated using the mixture rule).
и коэффициента смещения K Δ (hkl) углового положения 2Θ Ψ рефлексов (hkl) и значения 2Θ 0 , (рассчитанного при помощи экстраполяции) для всех фаз, составляющих покрытие, and displacement factorK Δ (hcl) angular position2Θ Ψ reflexes(hcl) and values2Θ 0 , (calculated by extrapolation) for all phases that make up the coating,
по формуле:according to the formula:
При этом для расчёта коэффициента смещения KΔ(hkl) осуществляют: At the same time, to calculate the displacement coefficient KΔ(hkl), the following is carried out :
– вычисление значений sin 2 ψ;– calculation of sin 2 ψ values;
– построение графика зависимости углового положения 2Θ Ψ рефлекса (hkl) от sin 2 ψ;– plotting the dependence of the angular position 2Θ Ψ of the reflex (hkl) on sin 2 ψ ;
– вычисление положения 2Θ0 фаз в ненапряженном состоянии, составляющих многослойное покрытие, с использованием метода экстраполяции графика линейной зависимости углового положения 2Θ Ψ рефлекса (hkl) от sin 2 ψ;– calculation of the position 2Θ 0 of the phases in an unstressed state that make up the multilayer coating, using the method of extrapolation of the graph of the linear dependence of the angular position 2Θ Ψ of the reflection (hkl) on sin 2 ψ ;
– определение коэффициента смещения K Δ (hkl) углового положения 2Θ Ψ рефлексов (hkl) для фаз, составляющих многослойное покрытие по формуле: – determination of the bias factorK Δ (hcl) angular position2Θ Ψ reflexes(hcl) for the phases that make up the multilayer coating according to the formula:
KΔ(hkl)=d(2ΘΨi)/d(sin2 ψi), K Δ (hkl)=d( 2Θ Ψi )/d(sin 2 ψ i ),
где 2ΘΨi угловое положение рефлекса (hkl) рассматриваемой фазы при заданном значении угла ψi;where 2Θ Ψi is the angular position of the reflection (hkl) of the considered phase at a given value of the angle ψ i ;
Кроме того, предварительно для расчёта константы напряжения M(hkl) осуществляют:In addition, preliminary for the calculation of the voltage constant M(hkl) carry out:
– определение коэффициента Пуассона многослойного наноструктурированного покрытия (ν МП ) по правилу смеси по формуле предполагающей, что коэффициент Пуассона в зависимости от материала слоя многослойного покрытия будет неодинаковым, и дающей возможность произвести количественную оценку коэффициента Пуассона многослойного покрытия в целом: 
– определение эффективного модуля упругости E* посредством наноиндентирования с использованием метода Оливера – Фарра: 
– определение константы напряжения M(hkl) углового положения 2Θ рефлексов (hkl) для фаз, составляющих многослойное покрытие по уравнению 
При этом, для получения монохроматичного синхротронного рентгеновского излучения осуществляют преобразование широкополосного пучка синхротронного излучения в монохроматическое излучение в рентгеновском диапазоне излучения посредством применения кристалла-монохроматора для получения монохроматического излучения в рентгеновском диапазоне излучения и коллиматорных щелей для сужения геометрической формы сечения пучка монохроматического излучения в рентгеновском диапазоне излучения. At the same time, to obtain monochromatic synchrotron X-ray radiation, a broadband beam of synchrotron radiation is converted into monochromatic radiation in the X-ray range of radiation by using a monochromator crystal to obtain monochromatic radiation in the X-ray range of radiation and collimator slits to narrow the geometric shape of the cross section of the beam of monochromatic radiation in the X-ray range of radiation .
Предлагаемый в настоящем изобретении способ измерения (анализа) внутренних (остаточных) напряжений многослойных наноструктурированных покрытий с использованием монохроматичного синхротронного излучения в рентгеновском диапазоне основан на проведении серии съемок в 2 этапа с использованием синхротронного излучения экспериментальных образцов с сформированными на поверхности многослойными покрытиями.The method proposed in the present invention for measuring (analyzing) the internal (residual) stresses of multilayer nanostructured coatings using monochromatic synchrotron radiation in the X-ray range is based on a series of surveys in 2 stages using synchrotron radiation of experimental samples with multilayer coatings formed on the surface.
Для количественного определения величины напряжений в многослойных покрытиях в процессе синхротронных исследований предлагается формула:To quantitatively determine the magnitude of stresses in multilayer coatings in the process of synchrotron research, the following formula is proposed:
где 
По этой формуле определяется величина напряжений в многослойных покрытиях в плоскости поверхности экспериментального образца.This formula determines the magnitude of stresses in multilayer coatings in the plane of the surface of the experimental sample.
Первый этап съемки предназначен для определения положения угла 2Θ 0 для индентификации присутствующих фаз. Этап представляет собой проведение симметричной съемки (фокусировка по Брэггу-Брентано) по схеме симметричного движения излучателя монохроматического синхротронного излучения в рентгеновском диапазоне излучения и детектора для измерения интенсивности отраженного монохроматического синхротронного излучения в рентгеновском диапазоне излучения от межатомных плоскостей многослойного покрытия. Схематичное представление симметричной схемы съемки показано на фиг. 2.The first stage of the survey is designed to determine the position of the angle 2Θ 0 to identify the phases present. The stage is a symmetrical shooting (Bragg-Brentano focusing) according to the scheme of symmetrical movement of the emitter of monochromatic synchrotron radiation in the X-ray range of radiation and the detector for measuring the intensity of the reflected monochromatic synchrotron radiation in the X-ray range of radiation from the interatomic planes of the multilayer coating. A schematic representation of the symmetrical survey scheme is shown in FIG. 2.
Второй этап предназначен для определения величины внутренних напряжений в многослойных покрытиях. Этап представляет собой проведение серии ассиметричных съемок в отношении характерных рефлексов, полученных и идентифицированных в процессе съемки по симметричной схеме (фокусировка по Брэггу-Брентано) с использованием синхротронного излучения при постоянных углах Ψ (направление падающего пучка монохроматического синхротронного излучения в рентгеновском диапазоне излучения равным 0°, 5°, 10°, 15°, 20°, 25°, 30° относительно поверхности экспериментального образца с сформированными на поверхности многослойным покрытием). Схематическое изображение ассиметричной съемки при постоянных углах Ψ показано на фиг.4.The second stage is designed to determine the magnitude of internal stresses in multilayer coatings. The stage is a series of asymmetric surveys in relation to the characteristic reflections obtained and identified during the survey according to the symmetrical scheme (Bragg-Brentano focusing) using synchrotron radiation at constant angles Ψ (direction of the incident beam of monochromatic synchrotron radiation in the X-ray radiation range equal to 0° , 5°, 10°, 15°, 20°, 25°, 30° relative to the surface of the experimental sample with a multilayer coating formed on the surface). A schematic representation of an asymmetric survey at constant angles Ψ is shown in Fig.4.
При ассиметричной съемке осуществляют сканирование 2ΘΨ относительно каждого определенного углового положения рефлексов (hkl) для всех фаз, составляющих многослойное покрытие, определенных по симметричной схеме съемки. Сканирование осуществляют в диапазоне углов 2ΘΨ, необходимом для описания профиля рефлекса на рентгенограмме относительно каждого определенного на первом этапе углового положения рефлексов (hkl) фаз.In case of asymmetric shooting, 2Θ Ψ is scanned with respect to each specific angular position of the reflections (hkl) for all phases that make up the multilayer coating, determined by the symmetrical shooting scheme. Scanning is carried out in the range of angles 2Θ Ψ required to describe the profile of the reflex on the X-ray pattern relative to each determined at the first stage of the angular position of the reflexes (hkl) of the phases.
Для количественных расчетов величины напряжений в многослойных покрытиях, угол Θ 0 необходимо брать исходя из графика зависимости 2Θ Ψ x – sin 2 Ψ, откуда 2Θ 0 – это экстраполяционное значение линейно аппроксимированных значений зависимости 2Θ Ψ x – sin 2 Ψ на Ψ=90°.For quantitative calculations of the magnitude of stresses in multilayer coatings, the angle Θ 0 must be taken based on the graph of the dependence 2Θ Ψ x - sin 2 Ψ , from which 2Θ 0 is the extrapolation value of the linearly approximated values of the dependence 2Θ Ψ x - sin 2 Ψ at Ψ=90°.
Так же, как и в прототипе в предлагаемом изобретении используется излучение в рентгеновском диапазоне, и определение внутренних напряжений происходит методом sin2ψ, однако метод, описанный в CN112326084 (A) основан на предположении, что исследуемый материал химически однороден (для расчёта напряжений используется единый коэффициент Пуассона).Just like in the prototype, the proposed invention uses radiation in the X-ray range, and the determination of internal stresses occurs by the sin 2 ψ method, however, the method described in CN112326084 (A) is based on the assumption that the material under study is chemically homogeneous (a single Poisson's ratio).
В предлагаемом с применением методики sin2ψ для определения напряжений многослойного покрытия, используется формула, предполагающая, что коэффициент Пуассона в зависимости от материала слоя многослойного покрытия будет неодинаков, и дающая возможность произвести количественную оценку коэффициента Пуассона многослойного покрытия в целом.In the proposed using the sin 2 ψ technique to determine the stresses of a multilayer coating, a formula is used that assumes that Poisson's ratio, depending on the material of the multilayer coating layer, will be different, and makes it possible to quantify the Poisson's ratio of the multilayer coating as a whole.
Предварительно перед серией съёмок определяется модуль упругости многослойных покрытий. Для этого производится наноиндентирование поверхности с многослойным покрытием. Наноиндентирование поверхности с многослойными покрытиям необходимо проводить с использованием нанотвердомера, обеспечивающим нагрузку на наноиндентор и время выдержки нагрузки наноиндентора для глубины отпечатка не превышающей 1/3 от толщины многослойного покрытия. Для обеспечения однообразности результатов измерений наноиндентирования и определения модуля упругости необходимо проводить минимальное количество уколов наноиндентирования равное 3 при одинаковых нагрузке и прочих параметров наноиндентирования. Prior to a series of surveys, the elastic modulus of multilayer coatings is determined. To do this, nanoindentation of the surface with a multilayer coating is performed. Nanoindentation of a surface with multilayer coatings must be carried out using a nanohardness tester that provides the load on the nanoindenter and the exposure time of the nanoindenter load for an indentation depth not exceeding 1/3 of the thickness of the multilayer coating. To ensure the uniformity of the results of measurements of nanoindentation and determination of the modulus of elasticity, it is necessary to carry out a minimum number of nanoindentation injections equal to 3 at the same load and other parameters of nanoindentation.
При определении эффективного модуля упругости (E*) после наноиндентирования необходимо руководствоваться методом Оливера – Фарра, формула:When determining the effective modulus of elasticity ( E* ) after nanoindentation, it is necessary to be guided by the Oliver-Farr method, the formula:
где ν – коэффициент Пуассона многослойного покрытия, E – модуль упругости многослойного покрытия, νind - коэффициент Пуассона алмазного наноиндентора нанотвердомера (0,07), Eind – модуль упругости алмазного наноиндентора нанотвердомера (1410 ГПа).where ν is the Poisson's ratio of the multilayer coating, E is the modulus of elasticity of the multilayer coating, ν ind is the Poisson's ratio of the diamond nanoindenter of the nanohardness tester (0.07), E ind is the modulus of elasticity of the diamond nanoindenter of the nanohardness tester (1410 GPa).
E определяется на основании наклона кривой разгружения при проведении испытания наноиндентирования, характеристики нанотвердомера (νind, Eind) известны. E is determined based on the slope of the unloading curve during the nanoindentation test, the characteristics of the nanohardness tester (ν ind , E ind ) are known.
Коэффициент Пуассона многослойного покрытия (ν МП ) необходимо получить по правилу механической смеси (формула 2):The Poisson's ratio of a multilayer coating ( ν MP ) must be obtained according to the mechanical mixture rule (formula 2):
где V1 – объем материала покрытия 1, ν1 – коэффициент Пуассона материала покрытия 1, V2 – объем материала покрытия 2, ν2 – коэффициент Пуассона материала покрытия 2. При этом, очевидно, объемные доли материалов должны быть нормированы на единицу.where V 1 is the volume of the
Для расчета коэффициента Пуассона необходимо учитывать объемные доли компонент многослойного покрытия. Для этого, необходимо применить методы растровой электронной микроскопии (РЭМ) или иные методы для определения толщины слоев покрытия и позволяющие идентифицировать отдельной слой по химическому составу. To calculate the Poisson's ratio, it is necessary to take into account the volume fractions of the components of the multilayer coating. To do this, it is necessary to apply scanning electron microscopy (SEM) or other methods to determine the thickness of the coating layers and allow identifying an individual layer by chemical composition.
Определение остаточных напряжений в многослойных наноструктурированных покрытиях с учетом неоднородности коэффициента Пуассона, что повышает точность их количественного вычисления, наряду с использованием предложенной серии съёмок и диапазонами выбранных углов ψ для ассиметричной схемы съёмки.Determination of residual stresses in multilayer nanostructured coatings taking into account the inhomogeneity of the Poisson's ratio, which increases the accuracy of their quantitative calculation, along with the use of the proposed series of surveys and the ranges of selected angles ψ for an asymmetric survey scheme.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS.
Далее настоящее изобретение будет описано в виде примеров со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:Hereinafter, the present invention will be described by way of example with reference to the accompanying drawings, in which:
На фиг. 1 приведено изображение многослойного покрытия ZrCrN, полученное при помощи растровой электронной микроскопииIn FIG. Figure 1 shows an image of a multilayer ZrCrN coating obtained using scanning electron microscopy.
На Фиг. 2 представлено cхематичное изображение метода симметричной съемки (фокусировка по Брэггу-Брентано) для определения фазового состава образца с многослойным покрытием, где 1 – экспериментальный образец с сформированными на поверхности многослойным покрытием, 2 – источник монохроматического излучения, 3 – падающий пучок монохроматического синхротронного излучения в рентгеновском диапазоне излучения, 4 – дифрагированный пучок монохроматического синхротронного излучения в рентгеновском диапазоне излучения, 5 – детектор монохроматического синхротронного излучения в рентгеновском диапазоне излучения, Θ – угол между поверхностью образца и падающим пучком монохроматического синхротронного излучения в рентгеновском диапазоне излучения, равен углу между поверхностью образца и дифрагированным пучком монохроматического синхротронного излучения в рентгеновском диапазоне излучения.On FIG. Figure 2 shows a schematic representation of the symmetric survey method (Bragg-Brentano focusing) for determining the phase composition of a sample with a multilayer coating, where 1 is an experimental sample with a multilayer coating formed on the surface, 2 is a source of monochromatic radiation, 3 is an incident beam of monochromatic synchrotron radiation in X-ray range of radiation, 4 is a diffracted beam of monochromatic synchrotron radiation in the X-ray range of radiation, 5 is a detector of monochromatic synchrotron radiation in the X-ray range of radiation, Θ is the angle between the sample surface and the incident beam of monochromatic synchrotron radiation in the X-ray range of radiation, equal to the angle between the surface of the sample and the diffracted beam of monochromatic synchrotron radiation in the X-ray range of radiation.
На фиг. 3 представлено схематическое изображение ассиметричной съемки с использованием синхротронного излучения для количественного определения величины напряжений в многослойных покрытиях в процессе синхротронных исследований. 1 – экспериментальный образец с сформированными на поверхности многослойным покрытием, 2 – источник монохроматического излучения, 3 – падающий пучок монохроматического синхротронного излучения в рентгеновском диапазоне излучения с фиксированным углом падения Ψ i , 4 – дифрагированный пучок монохроматического синхротронного излучения в рентгеновском диапазоне излучения, 5 – детектор монохроматического синхротронного излучения в рентгеновском диапазоне излучения, δ – угол между поверхностью образца и дифрагированным пучком монохроматического синхротронного излучения в рентгеновском диапазоне излучения.In FIG. 3 is a schematic representation of an asymmetric survey using synchrotron radiation to quantify the magnitude of stresses in multilayer coatings during synchrotron studies. 1 – experimental sample with a multilayer coating formed on the surface, 2 – source of monochromatic radiation, 3 – incident beam of monochromatic synchrotron radiation in the X-ray range of radiation with a fixed angle of incidence Ψ i , 4 – diffracted beam of monochromatic synchrotron radiation in the X-ray range of radiation, 5 – detector of monochromatic synchrotron radiation in the X-ray range of radiation, δ is the angle between the surface of the sample and the diffracted beam of monochromatic synchrotron radiation in the X-ray range of radiation.
На фиг. 4 приведена рентгенограмма экспериментального образца с сформированными на поверхности многослойными покрытиями ZrCrN, произведенная методом симметричной съемки (фокусировка по Брэггу-Брентано) с обозначением рефлексов цифрами, подлежащими дальнейшей серии ассиметричных съемок при постоянных углах Ψ.In FIG. Figure 4 shows an X-ray diffraction pattern of an experimental sample with ZrCrN multilayer coatings formed on the surface, produced by the symmetrical survey method (Bragg-Brentano focusing) with reflections designated by numbers, subject to a further series of asymmetric surveys at constant angles Ψ.
На фиг. 5 приведена серия несимметричных съемок с использованием синхротронного излучения в диапазоне угла 2Θ 65° – 77° для рефлекса (222) фазы ZrN с вариацией угла Ψ от 0° до 30° с шагом 5°. Красным цветом и рамкой выделен диапазон анализируемого рефлекса.In FIG. Figure 5 shows a series of asymmetric surveys using synchrotron radiation in the angle range 2Θ 65° – 77° for the reflection (222) of the ZrN phase with angle Ψ varying from 0° to 30° with a step of 5°. The range of the analyzed reflex is highlighted in red and framed.
На фиг. 6 приведена линейная зависимость положения дифракционного максимума от фиксированного угла Ψ.In FIG. Figure 6 shows the linear dependence of the position of the diffraction maximum on a fixed angle Ψ.
На фиг. 7 приведена серия несимметричных съемок с использованием синхротронного излучения в диапазоне угла 2Θ 33° – 41° для рефлексов (111) и (200) фазы ZrN, имеющих близкое угловое положение 2Θ с вариацией угла Ψ от 0° до 30° с шагом 5°. Красным цветом и рамкой выделен диапазон анализируемого рефлекса.In FIG. Figure 7 shows a series of asymmetric surveys using synchrotron radiation in the angle range 2Θ 33° – 41° for reflections (111) and (200) of the ZrN phase, which have a close angular position 2Θ with angle Ψ varying from 0° to 30° with a step of 5°. The range of the analyzed reflex is highlighted in red and framed.
На фиг. 8 приведена серия несимметричных съемок с использованием синхротронного излучения в диапазоне угла 2Θ 38° – 50° для рефлекса (200) фазы CrN с вариацией угла Ψ от 0° до 30° с шагом 5°. Красным цветом и рамкой выделен диапазон анализируемого рефлекса.In FIG. Figure 8 shows a series of asymmetric surveys using synchrotron radiation in the angle range 2Θ 38° – 50° for the (200) reflection of the CrN phase with angle Ψ varying from 0° to 30° with a step of 5°. The range of the analyzed reflex is highlighted in red and framed.
На фиг. 9 приведена зависимость углового положения (2Θ Ψ x ) рефлекса (111) фазы ZrN от sin 2 Ψ. In FIG. Figure 9 shows the dependence of the angular position ( 2Θ Ψ x ) of the reflection (111) of the ZrN phase on sin 2 Ψ.
На фиг. 10 приведена зависимость углового положения (2Θ Ψ x ) рефлекса (200) фазы ZrN от sin 2 Ψ. In FIG. Figure 10 shows the dependence of the angular position ( 2Θ Ψ x ) of the (200) reflection of the ZrN phase on sin 2 Ψ.
На фиг. 11 приведена зависимость углового положения (2ΘΨx) рефлекса (200) фазы CrN от sin 2 Ψ.In FIG. Figure 11 shows the dependence of the angular position (2ΘΨx) of the (200) reflection of the CrN phase on sin 2 Ψ .
ЛУЧШИЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯBEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
В качестве экспериментальных образцов для количественного определения величины внутренних (остаточных) напряжений в покрытиях в процессе проведения синхротронных исследований были выбраны образцы с наноструктурированным многослойным покрытием ZrCrN, состоящим из 35 слоев ZrN и 35 слоев CrN. Средняя толщина слоя ZrN равна 67,7±7,4 нм, для слоев CrN средняя толщина слоя равна 64,1±6,4 нм.Samples with a nanostructured ZrCrN multilayer coating consisting of 35 ZrN layers and 35 CrN layers were chosen as experimental samples for quantitative determination of the magnitude of internal (residual) stresses in coatings during synchrotron studies. The average thickness of the ZrN layer is 67.7 ± 7.4 nm, for CrN layers the average layer thickness is 64.1 ± 6.4 nm.
Размеры образцов с многослойным покрытием были следующие: круг, диаметром 15 мм, толщиной 3 мм.The dimensions of the multilayer coated samples were as follows: circle, 15 mm in diameter, 3 mm thick.
Перед началом исследований на количественное определение величины напряжений в многослойных покрытиях, для образцов с покрытиями определяли модуль упругости многослойных покрытий образцов с покрытием ZrCrN. Для этого производили наноиндентирование поверхности образца с многослойным покрытием. Before starting research on the quantitative determination of the magnitude of stresses in multilayer coatings, for samples with coatings, the modulus of elasticity of multilayer coatings of samples coated with ZrCrN was determined. To do this, nanoindentation of the sample surface with a multilayer coating was performed.
После наноиндентирования методом Оливера – Фарра рассчитывается эффективный модуль упругости по формуле:After nanoindentation by the Oliver-Farr method, the effective modulus of elasticity is calculated by the formula:
E определяется на основании наклона кривой разгружения при проведении испытания наноиндентирования, характеристики нанотвердомера «Instruments» νind (0,07), Eind (1410 ГПа) известны. E is determined based on the slope of the unloading curve during the nanoindentation test, the characteristics of the Instruments nanohardness tester ν ind (0.07), E ind (1410 GPa) are known.
Коэффициент Пуассона многослойного покрытия (ν МП ) определяли по правилу механической смеси:The Poisson's ratio of the multilayer coating ( ν MP ) was determined by the mechanical mixture rule:
где V1 – объем материала покрытия 1, ν1 – коэффициент Пуассона материала покрытия 1, V2 – объем материала покрытия 2, ν2 – коэффициент Пуассона материала покрытия 2. where V 1 is the volume of the
Для определения толщины слоев покрытия и идентификации каждого слоя по химическому составу использовали метод растровой электронной микроскопии (РЭМ). Scanning electron microscopy (SEM) was used to determine the thickness of the coating layers and identify each layer by chemical composition.
На фиг.1 приведено изображение, полученное методом РЭМ исследуемого образца многослойного покрытия ZrCrN. Общая толщина покрытия составляет 46,1 мкм. Так как Zr имеет больший атомный номер, то в режиме фазового контраста это будет проявляться как светлые слои в многослойном покрытии.Figure 1 shows the image obtained by the SEM method of the test sample of the ZrCrN multilayer coating. The total coating thickness is 46.1 µm. Since Zr has a higher atomic number, in phase contrast mode this will show up as bright layers in the multilayer coating.
Следующим этапом рассчитывали среднюю толщину слоев ZrN и CrN. The next step was to calculate the average thickness of the ZrN and CrN layers.
В исследуемом образце, многослойное покрытие ZrCrN состоит из 35 слоев ZrN и 35 слоев CrN. Средняя толщина слоя ZrN равна 67,7±7,4 нм, для покрытия CrN средняя толщина слоя 64,1±6,4 нм. Затем рассчитываются объемные доли, нормированные на единицу, каждой компоненты многослойного покрытия. In the test sample, the ZrCrN multilayer coating consists of 35 ZrN layers and 35 CrN layers. The average thickness of the ZrN layer is 67.7 ± 7.4 nm, for the CrN coating the average layer thickness is 64.1 ± 6.4 nm. Then volume fractions, normalized per unit, of each component of the multilayer coating are calculated.
Значения коэффициентов Пуассона для исходных материалов покрытия ZrN и CrN взяты из справочной информации, например [1,2].The values of Poisson's ratios for the initial coating materials ZrN and CrN are taken from reference information, for example [1,2].
Для компоненты многослойного покрытия ZrN коэффициент Пуассона равен 0,24, для компоненты CrN равен 0,28.For the ZrN multilayer coating component, Poisson's ratio is 0.24, for the CrN component it is 0.28.
Рассчитываем коэффициент Пуассона для исследуемого:
Соответственно, эффективный модуль упругости для исследуемого образца многослойного покрытия ZrCrN составит:Accordingly, the effective modulus of elasticity for the studied sample of the ZrCrN multilayer coating will be:
Минимальное количество испытаний наноиндентирования должно быть равно трем. Результаты трех испытаний показали значение эффективного модуля равным 331 Гпа. Усредняем результаты расчетов модуля упругости минимум трех измерений по формуле: The minimum number of nanoindentation tests should be three. The results of three tests showed an effective modulus of 331 GPa. We average the results of calculations of the modulus of elasticity of at least three measurements using the formula:
где 
Эффективный модуль упругости 
Далее проводили собственно исследования для определения внутренних напряжений многослойных покрытий с использованием синхротронных рентгеновских исследований и с применением метода sin 2 Ψ. Next, the actual studies were carried out to determine the internal stresses of multilayer coatings using synchrotron X-ray studies and using the sin 2 Ψ method.
Для этого, с использованием синхротронного излучения производили серию съемок экспериментальных образцов.To do this, using synchrotron radiation, a series of surveys of experimental samples was made.
В настоящем изобретении предлагается проведение серии съемок рентгенограмм в 2 этапа c использованием монохроматичного синхротронного излучения в рентгеновском диапазоне. In the present invention, it is proposed to conduct a series of radiographs in 2 stages c using monochromatic synchrotron radiation in the X-ray range.
Преобразование широкополосного пучка синхротронного излучения в монохроматическое излучение в рентгеновском диапазоне излучения производят посредством применения кристалла-монохроматора (для получения монохроматического излучения в рентгеновском диапазоне излучения), а для сужения геометрической формы сечения пучка монохроматического излучения его пропускают через щель коллиматора.The broadband beam of synchrotron radiation is converted into monochromatic radiation in the X-ray range of radiation by using a monochromator crystal (to obtain monochromatic radiation in the X-ray range of radiation), and to narrow the geometric shape of the cross section of the monochromatic radiation beam, it is passed through the collimator slit.
Перед экспонированием образцы устанавливали на гониометре.Before exposure, the samples were mounted on a goniometer.
Первый этап. Получение рентгенограммы методом симметричной съемки (фокусировка по Брэггу-Брентано) по схеме симметричного движения излучателя монохроматического синхротронного излучения в рентгеновском диапазоне излучения и детектора измерения интенсивности отраженного монохроматического синхротронного излучения в рентгеновском диапазоне излучения от межатомных плоскостей многослойного покрытия в интервале углов 2Θ от 20 до90°, покрывающих диапазон углов дифракции материала, на котором идентифицируются структурные рефлексы фаз многослойного покрытия.First stage. Obtaining an X-ray pattern by symmetrical shooting (Bragg-Brentano focusing) according to the scheme of symmetrical movement of the emitter of monochromatic synchrotron radiation in the X-ray range of radiation and the detector for measuring the intensity of reflected monochromatic synchrotron radiation in the X-ray range of radiation from the interatomic planes of the multilayer coating in the range of angles 2Θ from 20 to 90°, covering the range of diffraction angles of the material, on which the structural reflections of the phases of the multilayer coating are identified.
Схематичное представление симметричной схемы съемки показано на фиг. 2.A schematic representation of the symmetrical survey scheme is shown in FIG. 2.
Этап симметричной схемы съемки предназначен для определения положения угла 2Θ 0 с целью индентификации присутствующих в покрытии фаз. Полученная рентгенограмма приведена на фиг.3. The stage of the symmetrical survey scheme is designed to determine the position of the angle 2Θ 0 in order to identify the phases present in the coating. The resulting radiograph is shown in Fig.3.
Цифрами 1-4 на фиг.3 обозначены рефлексы, для которых на втором этапе будет производиться последовательная серия несимметричных съемок для количественного определения величины напряжений в многослойных покрытиях. Отмеченные рефлексы 1, 2, 3, 4 принадлежат соответственно рефлексам фаз многослойного покрытия ZrCrN: ZrN (111); ZrN (200); CrN (200); ZrN (222).The numbers 1-4 in figure 3 indicate the reflections, for which the second stage will be a sequential series of asymmetric surveys to quantify the magnitude of stresses in multilayer coatings.
Второй этап. Производили серию ассиметричных съемок при постоянных углах Ψ - направление падающего пучка монохроматического синхротронного излучения в рентгеновском диапазоне равных: 0°, 5°, 10°, 15°, 20°, 25°, 30° , относительно поверхности экспериментального образца. Second phase. A series of asymmetric surveys were carried out at constant angles Ψ - the direction of the incident beam of monochromatic synchrotron radiation in the X-ray range equal to: 0°, 5°, 10°, 15°, 20°, 25°, 30° relative to the surface of the experimental sample.
Схематическое изображение ассиметричной съемки при постоянных углах Ψ показано на фиг. 4.A schematic representation of an asymmetric survey at constant angles Ψ is shown in FIG. 4.
Для вычисления величины напряжений взяты характерные рефлексы, полученные и идентифицированные в процессе съемки по симметричной схеме (фокусировка по Брэггу-Брентано), на фиг.3, принадлежащие следующим рефлексам фаз многослойного покрытия ZrCrN: ZrN (111); ZrN (200); CrN (200); ZrN (222).To calculate the magnitude of stress taken characteristic reflexes obtained and identified in the process of shooting on a symmetrical scheme (focusing according to Bragg-Brentano), figure 3, belonging to the following reflections of the phases of the multilayer coating ZrCrN: ZrN (111); ZrN (200); CrN(200); ZrN (222).
На фиг. 5 проиллюстрирована серия ассиметричных съемок при постоянных углах Ψ с использованием синхротронного излучения в диапазоне угла 2Θ 65 – 77° для рефлекса (222) фазы ZrN с вариацией угла Ψ от 0° до 30° с шагом 5°. Красным цветом и рамкой выделен диапазон анализируемого рефлекса.In FIG. Figure 5 illustrates a series of asymmetric surveys at constant angles Ψ using synchrotron radiation in the
Полученные точки наносят на график в координатах 2ΘΨx – ордината, sin2Ψ – абсцисса и аппроксимируют линейной функцией.The obtained points are plotted on a graph in the coordinates 2Θ Ψx - the ordinate, sin 2 Ψ - the abscissa and approximated by a linear function.
На фиг. 6 приведена, соответствующая данной серии линейная зависимость положения дифракционного максимума от фиксированного угла Ψ.In FIG. Figure 6 shows the linear dependence of the position of the diffraction maximum on a fixed angle Ψ corresponding to this series.
Далее проводят серию аналогичных несимметричных съемок с вариацией угла Ψ от 0° до 30° с шагом 5°: Next, a series of similar asymmetric surveys is carried out with a variation of the angle Ψ from 0° to 30° with a step of 5°:
– для рефлексов (111) и (200) фазы ZrN, имеющих близкое угловое положение 2Θ с в диапазоне углов синхротронного излучения 2Θ от 33° до 41°;– for reflections (111) and (200) of the ZrN phase, which have a close angular position 2Θ s in the range of synchrotron radiation angles 2Θ from 33° to 41°;
– для рефлекса (200) фазы CrN в диапазоне углов синхротронного излучения 2Θ от 38° до 50°.– for the (200) reflection of the CrN phase in the range of synchrotron radiation angles 2Θ from 38° to 50°.
На фиг. 7 приведена серия несимметричных съемок с использованием синхротронного излучения в диапазоне угла 2Θ 33° – 41° для рефлексов (111) и (200) фазы ZrN, имеющих близкое угловое положение 2Θ с вариацией угла Ψ от 0° до 30° с шагом 5°. Красным цветом и рамкой выделен диапазон анализируемого рефлекса.In FIG. Figure 7 shows a series of asymmetric surveys using synchrotron radiation in the angle range 2Θ 33° – 41° for reflections (111) and (200) of the ZrN phase, which have a close angular position 2Θ with angle Ψ varying from 0° to 30° with a step of 5°. The range of the analyzed reflex is highlighted in red and framed.
На фиг. 8 приведена серия несимметричных съемок с использованием синхротронного излучения в диапазоне угла 2Θ 38° – 50° для рефлекса (200) фазы CrN с вариацией угла Ψ от 0° до 30° с шагом 5°. Красным цветом и рамкой выделен диапазон анализируемого рефлекса.In FIG. Figure 8 shows a series of asymmetric surveys using synchrotron radiation in the angle range 2Θ 38° – 50° for the (200) reflection of the CrN phase with angle Ψ varying from 0° to 30° with a step of 5°. The range of the analyzed reflex is highlighted in red and framed.
Полученные рентгенограммы с использованием монохроматического синхротронного излучения в рентгеновском диапазоне излучения обрабатывались соответствующим программным обеспечением, позволяющим численно оценить положение анализируемых рефлексов фаз многослойного покрытия ZrCrN (ZrN (111); ZrN (200); CrN (200); ZrN (222)) для каждой серии несимметричных съемок, представленных на фиг.5, 7, 8.The X-ray diffraction patterns obtained using monochromatic synchrotron radiation in the X-ray range of radiation were processed by the corresponding software, which makes it possible to numerically estimate the position of the analyzed reflections of the phases of the ZrCrN multilayer coating (ZrN (111); ZrN (200); CrN (200); ZrN (222)) for each series asymmetric surveys shown in Fig.5, 7, 8.
На фиг. 9 приведена зависимость углового положения (2Θ Ψ x ) рефлекса (111) фазы ZrN от sin 2 Ψ. In FIG. Figure 9 shows the dependence of the angular position ( 2Θ Ψ x ) of the reflection (111) of the ZrN phase on sin 2 Ψ.
На фиг. 10 приведена зависимость углового положения (2ΘΨx) рефлекса (200) фазы ZrN от sin 2 Ψ.In FIG. Figure 10 shows the dependence of the angular position ( 2Θ Ψx ) of the (200) reflection of the ZrN phase on sin 2 Ψ .
На фиг.11 приведена зависимость углового положения (2Θ Ψ x ) рефлекса (200) фазы CrN от sin 2 Ψ. Figure 11 shows the dependence of the angular position ( 2Θ Ψ x ) reflection (200) phase CrN from sin 2 Ψ.
Из фиг. 6, 9, 10 и 11 линейно аппроксимированной зависимости 2Θ Ψ x – sin 2 Ψ для каждого рефлекса: (222) фазы ZrN, (111) ZrN, (200) ZrN и 200 CrN методом экстраполяции на Ψ=90° вычисляют значение 2Θ0 и тоже вносят в Таблицу.From FIG. 6, 9, 10 and 11 linearly approximated dependences2Θ Ψ x -sin 2 Ψfor everyone reflection: (222) phases ZrN, (111) ZrN, (200) ZrN and 200 CrN by extrapolation to Ψ=90° calculate the value 2Θ0 and are also included in the table.
В Таблицу (графа 3) также внесены данные νПМ, рассчитанные по правилу смеси и эффективный модуль упругости
Затем для каждого рефлекса рассчитывают на основании полученных значений 2Θ0, 
Вычисленные значения коэффициент M приведены в Таблице в графе 7.The calculated values of the coefficient M are given in the Table in column 7.
По данным наклона линейно аппроксимированной зависимости 2Θ Ψ x – sin 2 Ψ (фиг. 6, 9-11) выбранных анализируемых рефлексов фаз многослойного покрытия ZrCrN (ZrN (111); ZrN (200); CrN (200); ZrN (222)) рассчитывают коэффициент 
Вычисленный коэффициент
Количественное определение величины напряжений анализируемых рефлексов фаз многослойного покрытия ZrCrN: (ZrN (111); ZrN (200); CrN (200); ZrN (222)) рассчитывают по формуле:Quantitative determination of the stress value of the analyzed reflections of the ZrCrN multilayer coating phases: (ZrN (111); ZrN (200); CrN (200); ZrN (222)) is calculated by the formula:
Вычисленное значение остаточного напряжения для каждого рефлекса приведено в Таблице в графе 8.The calculated value of the residual stress for each reflection is given in the Table in column 8.
Отрицательно значение напряжения означает, что напряжения сжимающие. A negative stress value means that the stresses are compressive.
Таблица – результаты количественного определения величины напряжений в многослойных покрытиях в процессе синхротронных исследованийTable - the results of quantitative determination of the magnitude of stresses in multilayer coatings in the process of synchrotron research
Используемая литератураUsed Books
[1] A.T.A. Meenaatci, Pressure induced phase transition of ZrN and HfN: a first principles study, J. At. Mol. Sci. 4 (2013) 321–335. https://doi.org/10.4208/jams.121012.012013a.[1] A.T.A. Meenaatci, Pressure induced phase transition of ZrN and HfN: a first principles study, J. At. Mol. sci. 4 (2013) 321–335. https://doi.org/10.4208/jams.121012.012013a.
[2] J.A. Sue, A.J. Perry, J. Vetter, Young’s modulus and stress of CrN deposited by cathodic vacuum arc evaporation, Surf. Coatings Technol. 68–69 (1994) 126–130. https://doi.org/10.1016/0257-8972(94)90149-X.[2] J.A. Sue, A.J. Perry, J. Vetter, Young’s modulus and stress of CrN deposited by cathodic vacuum arc evaporation, Surf. Coatings Technol. 68–69 (1994) 126–130. https://doi.org/10.1016/0257-8972(94)90149-X.
Claims (25)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2772247C1 true RU2772247C1 (en) | 2022-05-18 |
Family
ID=
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2791430C1 (en) * | 2022-12-08 | 2023-03-07 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук (ИСЭ СО РАН) | Method of determining the effect of cyclic thermal influences on the characteristics of multilayer coatings with use synchrotron radiation |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1599732A1 (en) * | 1988-07-04 | 1990-10-15 | Институт кристаллографии им.А.В.Шубникова | Method of determining structural distortions of near-surface layers of perfect monocrystal |
| US5414747A (en) * | 1993-02-22 | 1995-05-09 | The Penn State Research Foundation | Method and apparatus for in-process analysis of polycrystalline films and coatings by x-ray diffraction |
| RU2087861C1 (en) * | 1995-07-13 | 1997-08-20 | Товарищество с ограниченной ответственностью "Фрактал" | Method testing parameters of film coat in process of change of film thickness on backing and device for its implementation |
| RU54191U1 (en) * | 2005-12-23 | 2006-06-10 | Московский государственный институт электроники и математики (технический университет) | SYSTEM FOR MONITORING THE PARAMETERS OF FILM COATINGS AND SURFACES IN VACUUM IN THE PROCESS OF THEIR MODIFICATION |
| CN112326084A (en) * | 2020-10-14 | 2021-02-05 | 北京科技大学 | Method for measuring residual stress of texture-containing material by utilizing X-ray |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1599732A1 (en) * | 1988-07-04 | 1990-10-15 | Институт кристаллографии им.А.В.Шубникова | Method of determining structural distortions of near-surface layers of perfect monocrystal |
| US5414747A (en) * | 1993-02-22 | 1995-05-09 | The Penn State Research Foundation | Method and apparatus for in-process analysis of polycrystalline films and coatings by x-ray diffraction |
| RU2087861C1 (en) * | 1995-07-13 | 1997-08-20 | Товарищество с ограниченной ответственностью "Фрактал" | Method testing parameters of film coat in process of change of film thickness on backing and device for its implementation |
| RU54191U1 (en) * | 2005-12-23 | 2006-06-10 | Московский государственный институт электроники и математики (технический университет) | SYSTEM FOR MONITORING THE PARAMETERS OF FILM COATINGS AND SURFACES IN VACUUM IN THE PROCESS OF THEIR MODIFICATION |
| CN112326084A (en) * | 2020-10-14 | 2021-02-05 | 北京科技大学 | Method for measuring residual stress of texture-containing material by utilizing X-ray |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2791430C1 (en) * | 2022-12-08 | 2023-03-07 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук (ИСЭ СО РАН) | Method of determining the effect of cyclic thermal influences on the characteristics of multilayer coatings with use synchrotron radiation |
| RU2791429C1 (en) * | 2022-12-08 | 2023-03-07 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук (ИСЭ СО РАН) | In-situ method for synchrotron investigations of multilayer coatings in the process of thermal exposure |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5923720A (en) | Angle dispersive x-ray spectrometer | |
| Noyan et al. | Residual stress/strain analysis in thin films by X-ray diffraction | |
| Naudon et al. | New apparatus for grazing X-ray reflectometry in the angle-resolved dispersive mode | |
| Böhm et al. | Tensile testing of ultrathin polycrystalline films: a synchrotron-based technique | |
| Krywka et al. | The new diffractometer for surface X-ray diffraction at beamline BL9 of DELTA | |
| CN109374659B (en) | Positioning method of short-wavelength X-ray diffraction test sample | |
| CN107085003B (en) | X-ray diffraction in-situ characterization method for film oriented crystal growth | |
| CN1793872A (en) | Nondestrutive detection method of microregion residual stress | |
| Marciszko et al. | Application of multireflection grazing incidence method for stress measurements in polished Al–Mg alloy and CrN coating | |
| Mitsunaga | X-ray thin-film measurement techniques | |
| Peng et al. | Residual stress gradient analysis by the GIXRD method on CVD tantalum thin films | |
| Gelfi et al. | Residual stress analysis of thin films and coatings through XRD2 experiments | |
| RU2772247C1 (en) | Method for measuring internal stresses in multilayer nanostructured coatings based on the use of synchrotron radiation | |
| CN110767562B (en) | Method for measuring content of film phase | |
| Liu et al. | Thickness determination of metal thin films with spectroscopic ellipsometry for x-ray mirror and multilayer applications | |
| JP2009168618A (en) | Measurement method of layer thickness for thin film stack | |
| RU2199110C2 (en) | Procedure testing parameters of film coats and surfaces in process of their change and device for is implementation | |
| Richter et al. | Calibrating an ellipsometer using x-ray reflectivity | |
| JP2000155102A (en) | X-ray measuring apparatus and method therefor | |
| Ferrarini et al. | Thin Films Characterization and Metrology | |
| Dhez et al. | Tests Of Short Period X-Ray Multilayer Mirrors Using A Position Sensitive Proportional Counter | |
| Broadway | Mechanical Stress Measurement During Thin-Film Fabrication | |
| RU2194272C2 (en) | Method and device for real-time inspection of film coatings and surfaces | |
| Sathish et al. | Local surface skimming longitudinal wave velocity and residual stress mapping | |
| Chien et al. | Using digital image correlation method for measuring residual stress in the nickel coating of the specimen |