PL223186B1 - Sposób detekcji metrologicznych efektów termomechanicznych w powłokach PVD - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Dziedzina techniki

Przedmiotem wynalazku jest sposób detekcji metrologicznych efektów termomechanicznych w powłokach PVD (Physics Vapour Deposition), oparty o zasady pomiarów właściwości materiałów lepkosprężystych poddanych zmianom ich temperatury. Uzyskana informacja w wyniku zastosowania sposobu według wynalazku pozwala na ustalania „in situ” temperatur występowania aktywowanych cieplnie procesów fizycznych i chemicznych w powłoce PVD oraz ułatwia identyfikację przyczyn ich występowania. Dane te można wykorzystać między innymi do zdefiniowania stabilności termicznej powłok PVD, której znajomość może być głównie przydatna do prognozowania trwałości eksploatacyjnej powłok w przypadku wykorzystania jako struktury przeciwzużyciowej lub dekoracyjnej.

Stan techniki

Znane są sposoby postępowania dotyczące termomechanicznych badań materiałów, w tym materiałów o właściwościach lepkosprężystych: DL TMA (Dynamie Load Thermomechanical Analysis) i DMA (Dynamic Mechanical Analysis) oraz sposoby pomiarów stosowanych w reometrii (wiskozymetrii).

Polegają one na koincydencji oddziaływań na próbkę badanego materiału dwóch czynników energetycznych: zmieniających się cyklicznie obciążeń mechanicznych (lub naprężeń) oraz temperatury. Przedmiotem rejestracji są odkształcenia próbki oraz przesunięcia fazowe tych odkształceń w odniesieniu do zewnętrznych, cyklicznych oddziaływań mechanicznych. Sposoby te są podstawowymi narzędziami badawczymi stosowanymi w reologii jak i w badaniach szeregu materiałów, których właściwości lepkosprężyste są szeroko wykorzystywane w celach utylitarnych.

Znany jest także patent USA nr 6,007,240 pt. „Method and Apparatus for Modulated-Temperature Thermomechanical Analysis”, który opisuje zastosowanie tych zmian temperatury (modulacji temperatury) do wydzielenia składowej z metrologicznych danych dylatometrua odpowiadającej nieodwracalnym zmianom liniowej rozszerzalności cieplnej badanego materiału.

Istota wynalazku

Istota sposobu wg wynalazku polega na tym, że próbkę, która jest podłożem z osadzoną powłoką PVD poddaje się sekwencji cieplnego odprężania według termogramu w funkcji czasu, w którym:

faza A - to czas stabilizacji warunków pomiaru w temperaturze otoczenia, faza B - liniowy wzrost temperatury z zadaną szybkością q od poziomu temperatury otoczenia do temperatury końcowej T_k, faza C - liniowy spadek temperatury z zadaną szybkością q do temperatury otoczenia, faza D - czas stabilizacji warunków pomiaru w temperaturze otoczenia.

Korzystny sposób według wynalazku polega na tym, że w fazie B termogramu zmienia się liniowo temperaturę w superpozycji z jej cyklicznymi zmianami, najlepiej sinusoidalnymi, z zaprogramowaną amplitudą i częstotliwością (modulacja temperatury).

Jednocześnie rejestruje się zmiany długości i temperatur próbki oraz przesunięcia fazowe tych wielkości w stosunku do zewnętrznych, cyklicznych oddziaływań cieplnych.

Źródłem charakterystycznych dla danej próbki zmian danych metrologicznych są cieplnie akt ywowane w powłoce PVD procesy strukturalne i chemiczne, których efektem są zmiany naprężeń występujących w powłoce.

W fazie B termogramu wartości temperatur T_k ustala badacz na podstawie założonego programu badań.

Inny korzystny sposób wg wynalazku polega na tym, że próbkę poddaje się sekwencji wygrzewania wielokrotnie w celu uzyskania dostatecznej ilości danych do opisu właściwości badanej powłoki.

Inny korzystny sposób wg wynalazku polega na tym, że w fazie B termogramu rejestruje się, w funkcji temperatury T próbki, amplitudy cyklicznych zmian długości <A_L> f(T) próbki i jej temperatury <A_T>f(T) pod wpływem zewnętrznych, cyklicznych zmian oddziaływań cieplnych.

Jeszcze inny korzystny sposób wg wynalazku polega na tym, że w fazie B rejestruje się przes unięcia fazowe, w funkcji temperatury T próbki, danych metrologicznych odpowiadających cyklicznym zmianom długości próbki <A_L> - tg<p<_AL>f(T) oraz jej temperatury <A_T> - tg<p<_AT>f(T) względem zewnętrznych, cyklicznych oddziaływań cieplnych.

Inny korzystny sposób wg wynalazku polega na tym, że rejestrację zmian długości i temperatury próbki oraz przesunięć fazowych danych metrologicznych odpowiadających tym wielkościom w stosunku do zewnętrznych, cyklicznych oddziaływań cieplnych wykonuje się w układzie różnicowym z użyciem próbki odniesienia.

PL 223 186 B1

Wartości liniowych szybkości zmian temperatury q w fazach B i C oraz amplitudę i częstotliwość zewnętrznych, cyklicznych zmian temperatury ustala badacz, korzystnie aby zapewniały warunki quasi adiabatycznej wymiany ciepła w otoczeniu próbki.

Dane metrologiczne pozyskane w fazie B termogramu, które są wykorzystywane do opisu zachodzących procesów w powłoce, przedstawiane mogą być w postaci wykresów zależności od temperatury T próbki amplitud cyklicznych zmian długości <A_L> próbki - <A_L>f(T) i jej temperatury <A_T> <A_T>f(T) oraz kątów przesunięć fazowych między cyklicznymi zmianami tych parametrów a cyklicznymi oddziaływaniami cieplnymi pochodzącymi od urządzenia grzejnego - odpowiednio tg^><_AL>f(T) i tg<p <AT>f(T).

Do realizacji sposobu wg wynalazku korzystnie używa się próbek, których podłoże wykonane jest w kształcie walca o średnicy 3 mm i długości 30 mm albo w kształcie płaskownika o grubości ok. 200 pm, długości 30 mm i szerokości 3 mm.

Korzystny sposób wg wynalazku polega na tym, że sekwencje cieplnego odprężania realizuje się w atmosferze powietrza albo gazów neutralnych.

Jeszcze inny korzystny sposób wg wynalazku polega na tym, że termogram odprężania bad anej próbki zawiera fazę izotermicznego wyżarzania w wybranej temperaturze.

Objaśnienia figur na rysunkach

Przedmiot wynalazku przedstawiono w przykładzie realizacji na rysunkach, na których fig. 1 przedstawia termogram sekwencji odprężania próbki, fig. 2 - przykład zależności od temperatury T próbki, w fazie B termogramu, amplitud sinusoidalnych zmian długości próbki będącej podłożem z Fe Armco z osadzoną warstwa TiN - <A_L>f(T), a fig. 3 - przykład zależności od temperatury przesunięć fazowych danych metrologicznych odpowiadających zmianom <A_T> oraz <A_L> w próbce Fe Armco-TiN.

P r z y k ł a d

Pomiarom poddano próbkę, która jest podłożem wykonanym ze Fe Armco w kształcie walca o średnicy 3 mm i długości 30 mm z osadzoną jednowarstwową powłoką TiN techniką PVD z wyk orzystaniem łukowych źródeł par metali. Grubość powłoki wynosi 2 pm.

W temperaturze pokojowej próbkę umieszcza się w dylatometrze w atmosferze powietrza i za pomocą urządzenia grzejnego dylatometru poddaje sekwencji cieplnego odprężania według termogramu przedstawionego na rysunku (fig. 1) rejestrując jednocześnie przy pomocy czujników temperaturę i zmiany jej długości oraz przesunięcia fazowe danych metrologicznych odpowiadających tym wielkościom względem pobudzeń cieplnych urządzenia grzejnego.

W dylatometrze umieszcza się również próbkę odniesienia, którą jest podłoże z Fe Armco bez osadzonej warstwy. Wymiary próbki są identyczne do wymiarów próbki badanej. Również poddawana jest identycznym oddziaływaniom cieplnym.

Zgodnie z termogramem (fig. 1) w fazie A cieplnego odprężania w czasie 1 godz. stabilizuje się w temperaturze otoczenia przed pomiarami warunki cieplne w dylatometrze.

W fazie B powoduje się liniowy wzrost temperatury T próbki z szybkością q = 5°C/min i w koincydencji powoduje jej cykliczne sinusoidalne zmiany o okresie 1 min i amplitudzie 10°C. Jednocześnie mierzy się zmiany w funkcji temperatury T próbki wartości amplitud sinusoidalnych zmian temperatury <A_T>f(T) i długości próbki <A_L>f(T) oraz przesunięć fazowych tych wielkości względem sinusoidalnych zmian temperatury urządzenia grzejnego - tg<p<_AT>f(T) i tg<p<_AL>f(T).

W fazie C powoduje się liniowy spadek temperatury próbki z szybkością q=5°C/min do temperatury otoczenia.

W fazie D powoduje się stabilizację warunków pomiarowych dylatometru w temperaturze otoczenia.

Rezultaty badań pokazane są na rysunkach fig. 2 i fig. 3.

Figura 2 pokazuje temperaturową zależność amplitud cyklicznych zmian długości próbki wskutek sinusoidalnych oddziaływań cieplnych urządzenia grzejnego dylatometru - <A_L>f(T) w przedziale od temperatury otoczenia do temperatury 750°C (w czasie fazy B termogramu).

„Lepkościowa” cecha metrologiczna próbki ujawnia się w pokazanym na fig. 3 temperaturowym przebiegu zmian przesunięć fazowych w temperaturze T₁ i T₅ danych metrologicznych <A_T> i <A_L> odpowiednio tg<p<_AT> i tg<p<_AL> względem zewnętrznych oddziaływań cieplnych. Dokumentują, że źródłem zarejestrowanych zmian przebiegów krzywej <A_L>f(T) (fig. 2) w tych temperaturach są efekty cieplne będące konsekwencją programowo aktywowanych procesów w powłoce. Istotną dla badacza jest również informacja, że powodują one zróżnicowane przebiegi krzywych <A_L>f(T): w temperaturze T₁ zarejestrowano „pik” na krzywej <A_L>f(T) a w temperaturze T₅ zmianę nachylenia jej prostej kierun4

PL 223 186 B1 kowej. Udokumentowanie tego stanu może służyć do pełniejszego opisu procesów (przemian fazowych) zachodzących w badanej powłoce w funkcji temperatury.

Natomiast zarejestrowane w temperaturze T₂ przesunięcie fazowe danych metrologicznych <A_l> (fig. 3) przy braku w tej temperaturze przesunięcia fazowego danych <A_T> jest z kolei informacją że zarejestrowany efekt na krzywej <A_L>f(T) (fig. 2) identyfikuje zmianę w tej temperaturze rodzaju naprężeń: z ściskających na rozciągające. Ten dylatometryczny efekt wyznacza również temperaturę T2 jako temperaturę jaką osiągnęło podłoże w czasie osadzania powłoki.

Zarejestrowane w przedziale temperatur (T₃-T₄) istotne zmniejszenie wartości <A_L>f(T) (fig. 2), związane jest ze zjawiskiem degradacji chemicznej powłoki (utlenianie). Potwierdzają to przebiegi krzywych tg<pf(T)<_AT> i tg^>f(T)<_AL> w tym przedziale temperatur.

Claims (10)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób detekcji metrologicznych efektów termomechanicznych w powłokach PVD, znamienny tym, że próbkę, która jest podłożem z osadzoną powłoką PVD poddaje się sekwencji cieplnego odprężania według termogramu w funkcji czasu, rejestrując jednocześnie zmiany długości i temperatur próbki oraz przesunięć fazowych tych wielkości w stosunku do cyklicznych oddziaływań cieplnych, przy czym termogram ma następujące fazy:

   faza A - to czas stabilizacji warunków pomiaru w temperaturze otoczenia, faza B - liniowy wzrost temperatury z szybkością q od poziomu temperatury otoczenia do temperatury końcowej T_k, faza C - liniowy spadek temperatury z zadaną szybkością q do temperatury otoczenia, faza D - czas stabilizacji warunków pomiaru w temperaturze otoczenia.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w fazie B termogramu zmienia się liniowo temperaturę w koincydencji z jej cyklicznymi zmianami, korzystnie o przebiegu sinusoidalnym, z zaprogramowaną amplitudą i częstotliwością.
3. 3. Sposób według zastrz. 1 , znamienny tym, że próbkę poddaje się tej sekwencji cieplnego odprężania wielokrotnie.
4. 4. Sposób według zastrz. 1 , znamienny tym, że w fazie B termogramu rejestruje się, w funkcji temperatury T próbki, amplitudy cyklicznych zmian długości <A_L>f(T) i temperatury <A_T>f(T) próbki pod wpływem cyklicznych zmian oddziaływań cieplnych.
5. 5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w fazie B rejestruje się przesunięcia fazowe, w funkcji temperatury T próbki, danych metrologicznych odpowiadających cyklicznym zmianom długości próbki <A_l> — tg<p<_AL>f(T) i jej temperatury <A_t> - tg<p<_AT>f(T) względem cyklicznych oddziaływań cieplnych.
6. 6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że rejestrację zmian długości i temperatury próbki oraz przesunięć fazowych danych metrologicznych odpowiadających tym wielkościom w stosunku do cyklicznych, zewnętrznych oddziaływań cieplnych wykonuje się w układzie różnicowym z użyciem próbki odniesienia.
7. 7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że podłoże próbki wykonuje się w kształcie walca o średnicy 3 mm i długości 300 mm.
8. 8. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że podłoże próbki wykonuje się w kształcie płaskownika o grubości ok. 200 gm, długości 30 mm i szerokości 3 mm.
9. 9. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że sekwencje cieplnego odprężania realizuje się w atmosferze powietrza albo gazów neutralnych.
10. 10. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że termogram odprężania badanej próbki zawiera fazę izotermicznego wyżarzania w wybranej temperaturze.