بخشی از مقاله
مقایسه خواص پوشش هاي نانوساختار TiN و TiAlN
چکیده:
در این مطالعه تجربی, پوشش هاي نانوساختارتیتانیوم آلومینیوم نیتراید ( (TiAlN و تیتانیوم نیتراید (TiN) با استفاده از دستگاه پلاسما فوکوس کم انرژي تهیه شده و خواص ساختاري پوشش ها با یکدیگر مقایسه می شوند. سنتز نانوذرات TiAlN و TiN روي استیل ضد زنگ تحت زاویه صفر درجه نسبت به محور آند و در فاصله 4 سانتی متري از بالاي آند انجام گرفت. نتایج پراش اشعه ایکس نشان می دهد که شدت نسبی پراش اشعه ایکس TiAlN در مقایسه با TiN کاهش می یابد. نتایج میکروسکوپ الکترونی نشان می دهد که اندازه دانه هاي پوشش TiAlN درشت تر از اندازه دانه در پوشش TiN می باشد. با توجه به تصاویر میکروسکوپ نیروي اتمی, ضخامت میانگین پوشش TiAlN بالاتر از پوشش TiN می باشد.
کلید واژه: پوشش نانوساختار , TiAlN پلاسما فوکوس , AFM , XRD , SEM
مقدمه
امروزه کاربرد پوشش هاي سخت پایه نیتریدي به منظور افزایش مقاومت سایشی فولادها وسعت زیادي یافته است. در دهه هاي اخیر پوشش تیتانیوم آلومینیوم نیتراید در مقایسه با پوشش تیتانیوم نیتراید کاربرد بیشتري در این زمینه داشته است.
تیتانیوم آلومینیوم نیتراید از عناصر فلزي تیتانیوم و آلومینیوم تشکیل شده است و نسبت به تیتانیوم نیتراید داري مزیت هاي زیر می باشد :
(1 مقاومت اکسید شدن در دماهاي بالا به دلیل تشکیل یک لایه محافظ اکسید آلومینیوم در سطح (8000 – 9000C)
( 2 افزایش سختی آن نسبت به تیتانیوم نیتراید (30-35 GPa)
( 3 رسانندگی الکتریکی و حرارتی کمتر نسبت به تیتانیوم نیتراید [1-3]
با توجه به مقدار آلومینیوم موجود در پوشش TiAlN رنگ ظاهري آن از بنفش تا سورمه اي تغییر میکند که نسبت به پوشش TiN خواص مکانیکی قابل توجهی از خود نشان میدهد. براي دستیابی به پوششهاي نانوساختار TiAlN تاکنون روش هاي متنوعی از جمله روش رسوب گذاري فیزیکی از فاز بخار ( 4] ( PVDو[5، روش رسوب گذاري شیمیایی از فاز بخار [6] (CVD) ، کندوپاش [7] و روش رسوب گذاري از فاز بخار به کمک پلاسما با بهره گیري از منبع پلاسماي[8] RF مورد استفاده قرار گرفته است.
تهیه پوشش هاي تیتانیوم آلومینیوم نیتراید و تیتانیوم نیتراید به وسیله سایر دستگاه هاي پلاسما فوکوس که داراي انرژي و پیکربنـدي متفـاوتی مـی باشند نیز صورت گرفته است .[9,10]
در این پژوهش از دستگاه پلاسما فوکوس کم انرژي دانشگاه صنعتی سهند تبریز براي تشکیل نانوذرات تیتانیوم الومینیوم نیتراید و تیتانیوم نیتراید با تعداد 200 شات روي استیل زنگ نزن استفاده شد و نمونه هاي سنتز شده توسط آنالیز هاي پراش اشعه ایکس , میکروسکوپ الکترونـی روبشـی و میکروسکوپ نیروي اتمی مورد بررسی قرار گرفته و خواص ساختاري پوشش هاي مورد نظر با یکدیگر مقایسه می شوند.
روش انجام پژوهش
دستگاه پلاسما فوکوس نوع مدر دانشگاه صنعتی سهند تبریز شامل یک الکترود آند از جنس مس به قطر 1/8 سانتی متر و به طول 5/3 سانتی متر است که توسط 6 الکترود کاتد که از جنس برنج است احاطه شده است هر الکترود کاتد داراي 5/3 سانتی متر طول است. یک عایق شیشه اي از جنس پیرکس الکترودها را از هم جدا کرده است شکل . (1)
براي سنتز نانوذرات TiAlN آند دستگاه از جنس (Ti,Al) و براي سنتز نانوذرات TiN آند (Ti) انتخاب می شود. یک شاتر بین الکترود آند و نگهدارنده نمونه براي شات هاي اولیه به منظور رسیدن به تنگش عالی قرار دارد. کل مجموعه الکترودها داخل محفظه خلاء قرار دارند که توسط پمپ روتاري تا فشار10- 3 تور تخلیه شد. سپس گاز N2 + Ar به عنوان گاز کاري وارد محفظه خلاء شد. بهینه فشار براي پینچ عالی در آزمایش, فشار 0/2 تور و ولتاژ 6 کیلو ولت بود. نمونه هاي سنتز شده تحت این شرایط در فاصله 4 سانتی متري ازآند و تحت زاویه صفر درجه نسبت به محور آند تهیه شدند.
نحوه عملکرد دستگاه پلاسما فوکوس بدین صورت است که ابتدا یک ولتاژ بالا بین دو الکترود کاتد و آند از طریق سه خازن 10میکروفارادي ( 10 کیلو ولت ) که به وسیله ولتاژ بالا شارژ شده است اعمال می شود و در این صورت یک تخلیه الکتریکی روي سطح عایق در بازه زمانی 100 نانوثانیه اتفاق می افتد و یک لایه جریان روي سطح عایق تشکیل می شود. یک میدان مغناطیسی خود سازگار ایجاد می شود که باعث ایجاد نیروي لورنتس شده و لایه جریان را تا انتهاي باز آند شتاب می دهد. در نتیجه نیروي J×B لایه جریان را در نوك آند فشرده می کند که این باعث
ایجاد پلاسماي گرم و چگال می شود. در این موقع ستون پلاسماي تشکیل شده توسط ناپایداري سوسیسی (m=0) با تولید ذرات پر انرژي الکترون ,یون و اشعه ایکس از بین می رود. از آنجا که در موقع از بین رفتن ستون پلاسما یک میدان الکتریکی قوي ایجاد می شود این میدان یونها و الکترونها را در جهت هاي مخالف هم شتاب می دهد به طوري که الکترون هاي پرانرژي در اثر برخورد با آند که یکبار از جنس تیتانیوم و الومینیوم و بار دیگر از جنس تیتانیوم است باعث ذوب آند شده و این اتمهاي ذوب شده با گاز نیتروژن یونیزه شده ترکیب شده و به وسیله جت پلاسمایی تولید شده در لحظه تنگش بر روي زیرلایه نهشت می کند. قبل از سنتز نانوذرات نمونه هاي استیل در اندازه هاي×1 cm × 0/3 cm 1cmبریده شد و سپس توسط سمباده تا شماره 3500 پولیش داده شد تا سطحی کاملا صاف در روي نمونه هاي استیل تشکیل شود. سپس نمونه ها توسط الکل , استون و آب مقطر هر کدام به مدت 10 دقیقه در دستگاه التراسونیک به کمک امواج فراصوت تمیز شدند. نمونه ها در فاصله 4 سانتی متري از بالاي آند قرار داده شدند و تهیه پوشش هاي TiN و TiAlN روي نمونه ها با تعداد 200 شات در زاویه صفر درجه نسبت به محور آند تهیه شدند و مورد آنالیز توسط دستگاه هاي طیف نگاري اشعه ایکس , میکروسکوپ الکترونی روبشی و میکروسکوپ نیروي اتمی قرار گرفتند.
نتایج و بحث طیف نگاري اشعه ایکس
از پرتو ایکس براي تعیین ساختار کریستالی نمونه ها استفاده می شود. در برخورد این پرتو با ماده ساختار کریستالی موجود در ماده به بازتاب پرتو ایکس در زوایاي مختلف منجر می شود, هر ماده کریستالی در زاویه مشخص پرتو را منعکس می کند. بازتاب پرتو بر اساس 2Ɵ ثبت می شود که Ɵ زاویه بین صفحه اتمهاي کریستالی با پرتو فرودي است.
شکل((2 نمودارهاي الگوي پراش پرتوایکس دو پوشش را به صورت جداگانه نشان می دهد. پیک هاي متفاوتی از صفحات کریستالیTiAlN در مقدار 75/60 ,51/90 , 2Ɵ = 44/30 و TiN در41/5 0 مشاهده شد.
