NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ ĐẶC TRƯNG TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU PHỦ ĐA LỚP TiAlSiNCrN TRÊN NỀN HỢP KIM CỨNG WCCo BẰNG PHƯƠNG PHÁP BỐC BAY VẬT LÝ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - LƯƠNG VĂN ĐƯƠNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ ĐẶC TRƯNG TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU PHỦ ĐA LỚP TiAlSiN/CrN TRÊN NỀN HỢP KIM CỨNG WC-Co BẰNG PHƯƠNG PHÁP BỐC BAY VẬT LÝ Chuyên ngành: Kim loại học Mã số: 9.44.01.29 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU Hà Nội – 2019 Cơng trình hồn thành tại: Học viện Khoa học Công nghệ Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Người hướng dẫn khoa học 1: PGS TS Đồn Đình Phương Người hướng dẫn khoa học 2: GS TS Phan Ngọc Minh Phản biện 1: … Phản biện 2: … Phản biện 3: … Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Học viện, họp Học viện Khoa học Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam vào hồi … ’, ngày … tháng … năm 201… Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Học viện Khoa học Công nghệ - Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Tính cấp thiết luận án Trong cơng nghiệp, mài mòn ăn mòn nguyên nhân gây mát lượng tổn hao vật liệu, làm giảm hiệu suất làm việc tuổi thọ cho dụng cụ cắt gọt chi tiết máy Theo thống kê nước phát triển, khoảng 30 % lượng vận hành bị tổn hao vấn đề ma sát Với nước có cơng nghiệp phát triển cao mát ma sát mài mòn chiếm từ 1-2 % tổng sản phẩm quốc gia Do đó, việc nghiên cứu chế tạo phát triển loại màng phủ có đặc tính tớt như: độ cứng cao, hệ sớ ma sát thấp, chịu ăn mòn bền nhiệt vấn đề cấp thiết công nghiệp đại [1] Trải qua vài thập kỷ, nhiều loại màng phủ có tính khác nghiên cứu chế tạo, từ loại màng đơn lớp, đơn nguyên tố TiN [2-3], TiC [4-6], CrN [7-9] loại màng đơn lớp đa nguyên tớ TiAlN [10-11], TiAlSiN [12], TiAlBN [13] Thêm vào đó, việc nghiên cứu chế tạo màng đa lớp TiN/CrN [14], TiAlN/CrN [15]… nhằm kết hợp đặc tính tớt màng đơn lớp nghiên cứu phát triển đồng thời Để tạo loại màng phủ này, phương pháp như: lắng đọng pha vật lý (PVD), lắng đọng pha hóa học (CVD) phương pháp hóa lý… sử dụng Tuy nhiên, phương pháp PVD sử dụng phổ biến phương pháp cho hiệu suất cao, khả bám dính tớt, mật độ màng cao phủ lên chi tiết có kích thước lớn Tại Việt Nam, nghiên cứu chế tạo màng phủ cứng nitrua thu hút quan tâm nhiều nhóm nghiên cứu công nghệ chế tạo lẫn ứng dụng số sở nghiên cứu như: Trường đại học Bách khoa Hà Nội, Trường đại học Khoa học tự nhiên, ĐHQG Thành phớ Hồ Chí Minh, Viện nghiên cứu Cơ khí… Các nghiên cứu tập trung nghiên cứu chế tạo màng đơn lớp đơn nguyên tố như: TiN, CrN…[16-17] màng đa lớp đơn nguyên tớ như: TiN/TiCN [18], TiN/CrN [19]… Có thể thấy rằng, hầu hết nghiên cứu Việt Nam chỉ tập trung nghiên cứu màng nitrua đơn nguyên tố (sử dụng bia phún xạ có sẵn thị trường), chưa chế tạo màng nitrua đa nguyên tố, tự chế tạo bia phún xạ nhiều thành phần Vì chỉ chế tạo màng nitrua đơn nguyên tố, nên phạm vi ứng dụng nghiên cứu hạn chế Từ năm 2013 đến nay, Viện Khoa học vật liệu kết hợp với Viện Công nghệ Công nghiệp Hàn Quốc (Korea Institute of Industrial Technology - KITECH) triển khai số nghiên cứu chung chế tạo loại màng phủ nitrua đa nguyên tố hợp kim WC-Co Trong bao gồm việc nghiên cứu chế tạo bia phún xạ đa nguyên tố, làm sở cho việc nghiên cứu màng nitrua đa ngun tớ Dựa vào vấn đề trình bày trên, với mong muốn tạo loại màng phủ cứng nitrua có độ cứng cao hệ số ma sát thấp mở rộng khả ứng dụng loại màng phủ ngành công nghiệp, đề tài luận án lựa chọn là: “Nghiên cứu chế tạo đặc trưng tính chất màng phủ nitrua hợp kim cứng WC-Co phương pháp phún xạ magnetron” Mục tiêu luận án - Chế tạo đặc trưng tính chất màng phủ cứng nitrua đơn lớp – đa nguyên tố (TiAlXN (X: Si, B, V) đa lớp – đa nguyên tố TiAlXN/CrN (X: Si, B) có độ cứng cao, hệ sớ ma sát thấp - Tìm khảo sát ảnh hưởng thơng sớ định đến tính chất loại màng phủ Nội dung luận án - Tổng quan tình hình nghiên cứu màng phủ nitrua đơn lớp đa lớp Việt Nam giới - Giới thiệu phương pháp chế tạo màng chế hình thành phát triển màng - Nghiên cứu chế tạo màng phủ nitrua đơn lớp TiAlXN (X: Si, B,V) phương pháp phún xạ magnetron, đó: + Nghiên cứu ảnh hưởng thông số công suất phún xạ, áp suất phún xạ, khoảng cách bia đế đến độ cứng màng phủ + Nghiên cứu ảnh hưởng lưu lượng khí N2 đến đặc trưng tính chất màng đơn lớp - Nghiên cứu chế tạo màng phủ nitrua đa lớp TiAlXN/CrN (X:Si, B) phương pháp phún xạ magnetron đặc trưng tính chất màng phủ đa lớp Các kết luận án đạt - Đã chế tạo thành công màng phủ cứng đơn lớp – đa nguyên tố TiAlXN (X:Si, B, V) đa lớp – đa nguyên tố TiAlXN/CrN (X: Si, B) hợp kim cứng WC-Co công nghệ phún xạ magnetron - Đối với màng phủ cứng đơn lớp, khảo sát ảnh hưởng lưu lượng dòng khí N2 đến tính chất loại màng TiAlXN sử dụng hệ bia Ti50Al40X10 (X:Si, B, V) Cụ thể, xác định lưu lượng dòng khí N2 tối ưu sccm đối với màng TiAlSiN TiAlVN, đối với màng TiAlBN 4sccm - Đối với màng phủ cứng đa lớp TiAlSiN/CrN TiAlBN/CrN, khảo sát ảnh hưởng chiều dày cặp màng số cặp màng đến độ cứng màng đa lớp Cụ thể, màng phủ đa lớp TiAlSiN/CrN có độ cứng cao giá trị chiều dày cặp màng 245 nm (màng TiAlSiN 127 nm màng CrN 118 nm) tổng số cặp màng cặp (12 lớp) Còn đới với màng TiAlBN/CrN, độ cứng cao giá trị chiều dày cặp màng 232 nm tổng số cặp màng (14 lớp) CHƯƠNG TỔNG QUAN - Trình bày khái niệm lịch sử phát triển màng phủ - Tình hình nghiên cứu màng phủ nitrua đơn lớp đa lớp giới - Giới thiệu cấu trúc màng phủ TiN, AlN, TiAlN CrN - Các phương pháp chế tạo màng giới thiệu gồm: phương pháp lắng đọng pha hóa học (CVD), phương pháp lắng đọng pha vật lý (PVD) Trong luận án này, phương pháp PVD (cụ thể phương pháp phún xạ magnetron) sử dụng để chế tạo màng đơn lớp đa lớp, phương pháp phổ biến thường sử dụng công nghiệp sản xuất phương pháp đơn giản, dễ điều khiển, dễ tự động hóa - Q trình hình thành màng phủ phương pháp phún xạ ứng dụng màng phủ nitrua tình hình nghiên cứu Việt Nam CHƯƠNG CHUẨN BỊ MẪU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Phương pháp chế tạo màng nitrua Qua tham khảo, phân tích nghiên cứu công bố giới thành phần màng phủ sở hợp kim Ti-Al [31,34, 4547], kế thừa kết nghiên cứu thực Viện Công nghệ Công nghiệp Hàn Quốc (KITECH) [31], luận án này, loại màng phủ chế tạo phương pháp phún xạ magnetron với hệ bia gồm: - 01 hệ bia có thành phần TiAl-X (X: V, B, Si) để chế tạo màng phủ đơn lớp, - 02 hệ bia, có thành phần TiAl-X (X: V, B, Si) bia lại kim loại Cr > 99,9% để chế tạo màng phủ đa lớp Thành phần hóa học loại bia trình bày bảng 2.1 Bảng 2.1 Thành phần hóa học hệ bia sử dụng Nguyên Ti tố Hệ Al X (1 nguyên tố: V, B, Si) Cr Kích thước (% khới lượng mol ngun tử) 50 40 ɸ75 x mm 10 Hệ 100 ɸ75 x mm 2.1.1 Chế tạo bia phún xạ Trong nghiên cứu này, bia phún xạ chế tạo từ nguyên tố kim loại (Ti, Al, X (Si, B, V)) phương pháp luyện kim bột Kích thước bia phún xạ sau chế tạo có kích thước ɸ75 x mm 2.1.2 Chế tạo màng phủ nitrua 2.1.2.1 Chuẩn bị bề mặt mẫu đế Mẫu hợp kim WC-Co mài đánh bóng, sau tiếp tục làm tiếp thiết bị rung siêu âm môi trường cồn aceton với thời gian 10 phút để loại bỏ chất bẩn bám bề mặt mẫu 2.1.2.2 Chế tạo màng đơn lớp TiAlXN Mẫu hợp kim WC-Co đế Si (100) sau xử lý bề mặt đưa vào buồng chân khơng 1.5x10-3 Pa thiết bị phún xạ magnetron (hình 2.5) Để loại bỏ tiếp tạp chất có bề mặt mẫu bụi bẩn màng ơxít, mẫu tiếp tục làm cách bắn phá ion Ar+ lên bề mặt mẫu với thời gian 30 phút áp suất 10 mtorr, sử dụng nguồn phóng điện xung chiều với thơng sớ Us=600v, Is=0.02A, f= 150KHz Mẫu sau làm tiến hành phún xạ tạo màng môi trường hỗn hợp khí Ar:N2 Để tăng khả bám dính lớp màng đế, trước phún xạ mẫu phủ lớp trung gian Cr Ti lên bề mặt đế Điều kiện chế tạo màng phủ cứng đơn lớp Các thông số trình phún xạ tạo màng sau: o Cơng suất phún xạ: 200-350W o Áp suất phún xạ: 2.5; 5; 7; 10 mtorr o Lưu lượng dòng khí N2: 2; 4; 6; 8; 10 sccm (màng TiAlSiN, TiAlBN); 4; 6; 8; 10 sccm (màng TiAlVN), lưu lượng dòng khí Ar: 36 sccm giữ cớ định śt q trình phún xạ o Khoảng cách bia mẫu WC-Co: 30-60 mm o Thời gian phún xạ: 30 phút o Nhiệt độ đế phún xạ: nhiệt độ phòng (25oC) o Thành phần bia phún xạ: Ti50Al40X10 Sau kết thúc trình phún xạ, mẫu làm nguội buồng chân khơng với thời gian 15 phút Sau lấy mẫu đem phân tích đặc trưng tính chất 2.1.2.3 Chế tạo màng đa lớp TiAlX(Si,B)N/CrN Kế thừa thông số tối ưu nghiên cứu chế tạo màng phủ nitrua đơn lớp, màng phủ đa lớp chế tạo với thông số sau: - Công suất phún xạ: 300 W - Áp suất phún xạ: mtorr - Khoảng cách bia phún xạ đế hợp kim WC-Co (hoặc đế Si): 50 mm - Lưu lượng khí làm việc Ar: 36 sccm, lưu lượng dòng khí N2: sccm (TiAlSiN/CrN) sccm (TiAlBN/CrN) - Thời gian phún xạ: TiAlX(Si,B)N: 5-15 phút, CrN: 2-6 phút - Nhiệt độ đế phún xạ: nhiệt độ phòng (25 oC) CHƯƠNG CHẾ TẠO MÀNG PHỦ CỨNG ĐƠN LỚP TiAlXN (X: Si, B, V) 3.1 Tối ưu hóa thông số trình phún xạ Các thông số gồm công suất phún xạ, áp suất phún xạ khoảng cách bia đế hợp kim WC-Co xác định thông qua ảnh hưởng đến độ cứng màng Các thông số xác định sau: o Công suất phún xạ: 300W o Áp suất phún xạ: mtorr o Khoảng cách bia đế hợp kim WC-Co (hoặc đế Si): 50 mm 3.2 Chế tạo màng đơn lớp TiAlSiN, TiAlBN và TiAlVN Trong công nghệ chế tạo màng phủ nitrua phương pháp phún xạ, có hai loại khí sử dụng gồm: (i) khí làm việc Ar; (ii) khí hoạt tính hay khí phản ứng N2 Trong đó, khí làm việc Ar để kích thích q trình ion hóa ngun tử hay phân tử khí hình thành vùng plasma, khí phản ứng N2 có tác dụng hình thành hợp chất nitrua Hợp chất nitrua hình thành bề mặt bia lượng bắn phá đủ lớn hình thành trình di chuyển nguyên tử bứt phía đế, chí hình thành bề mặt đế sau lắng đọng Có thể thấy rằng, lưu lượng khí N2 có ảnh hưởng lớn đến hình thành màng phủ nitrua, đến tính chất màng Đã có số nguyên cứu chỉ ảnh hưởng hàm lượng khí phản ứng N2 đến tính chất màng độ cứng, hệ sớ ma sát, kích thước hạt tinh thể, thành phần pha [33,77-78, 80-81] Như vậy, vai trò khí N2 quan trọng việc hình thành màng phủ nitrua Nhận thức tầm quan trọng khí N2, phần tiếp theo, luận án tập trung nghiên cứu ảnh hưởng lưu lượng khí N2 đến hình thành tính chất màng phủ nitrua 3.2.1 Màng TiAlSiN 3.2.1.1 Ảnh hưởng lưu lượng khí N2 đến cấu trúc thành phần hóa học màng TiAlSiN Tại lưu lượng khí sccm, màng có cấu trúc tinh thể dạng lập phương tâm mặt (fcc) hoàn hảo (theo JCPDS chuẩn No: 381420), với hai đỉnh nhiễu xạ TiN theo mặt tinh thể (111) (220) Đỉnh nhiễu xạ TiN (111) có cường độ mạnh góc nhiễu xạ 36,6o Tuy nhiên, lưu lượng khí N2 tăng lên sccm, cường độ đỉnh nhiễu xạ TiN (111) giảm dần cường độ nhiễu xạ TiN (200) tăng dần Xu hướng xảy đối với màng chế tạo lưu lượng khí N2 10 sccm Ngồi ra, lưu lượng khí N2 10 sccm xuất thêm đỉnh nhiễu xạ TiN (311) màng mịn không quan sát thấy đường kẻ sọc dạng cột so với mẫu thu lưu lượng khí N2 cao (8, 10 sccm) Có điều tăng kích thước hạt tinh thể màng phủ chế tạo Trong đó, chiều dày màng chế tạo giảm từ 4,32 µm x́ng 3,58 µm lưu lượng khí N2 tăng từ sccm đến 10 sccm 3.2.1.2 Ảnh hưởng lưu lượng khí N2 đến độ cứng màng TiAlSiN Hình 3.3 Ảnh hưởng lưu lượng dòng khí N2 đến độ cứng màng Kết cho thấy độ cứng tăng từ 24 GPa lên 33,5 GPa lưu lượng dòng khí N2 tăng từ sccm lên sccm Nếu lưu lượng dòng khí N2 tiếp tục tăng lên sccm 10 sccm, độ cứng màng TiAlSiN có xu hướng giảm Kết modul đàn hồi có xu hướng tương tự giá trị độ cứng Khi lưu lượng khí N2 tăng từ sccm đến sccm, modul đàn hồi tăng từ 267 GPa lên 346 GPa Modul đàn hồi màng TiAlSiN giảm xuống lưu lượng khí N2 tiếp tục tăng 10 3.2.1.3 Ảnh hưởng lưu lượng khí N2 đến hệ số ma sát mài mòn màng TiAlSiN a) Điều kiện ma sát khơ Hình 3.4 Hệ số ma sát màng lưu lượng khí N2 khác Tại lưu lượng khí N2 sccm thấy ổn định śt q trình trượt với giá trị hệ sớ ma sát trung bình ~ 0,74 Hệ sớ ma sát trung bình tăng lên 0,78 0,795 lưu lượng khí N2 lần lượt sccm sccm, lưu lượng khí N2 tiếp tục tăng lên, hệ số ma sát màng tăng theo, đồng thời ổn định trình trượt tăng, điều chỉ tăng giảm không ổn định đối với mẫu phún xạ lưu lượng khí N2 sccm 10 sccm b) Điều kiện ma sát ướt (trong dầu) Hệ số ma sát trung bình màng lưu lượng khí N2 thấp 2, 4, sccm nằm khoảng từ 0,08 – 0,1 tăng lên > 0,1 lưu lượng khí N2 sccm 10 sccm Cụ thể, hệ số ma sát thấp thu lưu lượng khí N2 sccm cao thu lưu lượng khí N2 10 sccm 11 3.2.1.4 Ảnh hưởng lưu lượng khí N2 đến độ bền bám dính màng TiAlSiN Trong nghiên cứu này, độ bền bám dính đánh giá thơng qua lực tì đầu mũi rạch Giá trị lực tì tăng dần đạt đến giá trị lực định làm cho màng phủ bắt đầu xuất bong tróc khỏi bề mặt đế gọi lực tới hạn Khi tăng lưu lượng khí từ sccm đến sccm, giá trị lực tới hạn tăng từ 18,3 N lên 23,9 N Nếu tiếp tục tăng lưu lượng dòng khí N2 lên, giá trị lực tới hạn giảm x́ng Hay nói cách khác, độ bền bám dính màng đế hợp kim giảm x́ng Chi tiết kết độ bền bám dính thể bảng đây: Bảng 3.2 Độ bền bám dính lưu lượng khí sử dụng lớp trung gian Lực tới hạn (N) 2ccm 4sccm sccm sccm 10sccm Lớp trung gian Cr 18,3 20,7 23,9 19,9 17,6 36,5 3.2.2 Màng TiAlBN 3.2.2.1 Ảnh hưởng lưu lượng khí N2 đến cấu trúc thành phần hóa học màng TiAlBN Với mẫu phún xạ lưu lượng khí N2 sccm chỉ ba đỉnh nhiễu xạ TiN vị trí 36.6o, 61.8o 77.9o, tương ứng với mặt tinh thể lần lượt (111), (220) (222) Theo JCPDS chuẩn No: 38-1420, TiN với cấu trúc lập phương tâm mặt (FCC) Ngồi ra, giản đồ nhiễu xạ cho biết cường độ vị trí đỉnh nhiễu xạ thay đổi theo lưu lượng khí N2 Tại lưu lượng khí N2 sccm, cường độ đỉnh nhiễu xạ theo mặt (111) mạnh Nếu tiếp tục tăng lưu 12 lượng khí N2 lên, đỉnh nhiễu xạ TiN (111) giảm dần cường độ đỉnh nhiễu xạ thấp lưu lượng khí N2 10 sccm 3.2.2.2 Ảnh hưởng lưu lượng khí N2 đến độ cứng màng TiAlBN Có thể thấy độ cứng nhỏ thu lưu lượng dòng khí N2 sccm Khi lưu lượng dòng khí N2 tăng, độ cứng màng TiAlBN tăng đạt giá trị cực đại (~ 41 GPa) lưu lượng dòng khí N2 sccm Nếu lưu lượng dòng khí N2 tiếp tục tăng lên sccm 10 sccm, độ cứng màng có xu hướng giảm dần Kết modul đàn hồi có xu hướng tương tự giá trị độ cứng Khi lưu lượng khí N2 tăng từ sccm đến sccm, modul đàn hồi tăng từ 207 GPa lên 396 GPa Nếu tiếp tục tăng lưu lượng khí N2, modul đàn hồi màng TiAlBN giảm xuống 3.2.2.3 Ảnh hưởng lưu lượng khí N2 đến hệ số ma sát mài mòn màng TiAlBN a) Điều kiện ma sát khô Kết cho thấy hệ số ma sát màng tăng lưu lượng khí N2 tăng Tại lưu lượng khí N2 thấp (2 - sccm), hệ số ma sát màng tương đối ổn định suốt quãng đường trượt Tuy nhiên, với lưu lượng khí N2 cao hệ sớ ma sát màng tăng giảm liên tục Kết hình nhỏ chỉ hệ sớ ma sát màng tăng từ 0,46 đến 0,69 lưu lượng khí N2 tăng từ đến 10 sccm b) Điều kiện ma sát ướt (trong dầu) Kết cho thấy hệ số ma sát tăng với tăng lưu lượng khí N2 Khi lưu lượng khí N2 tăng từ đến sccm, hệ số ma sát ướt màng tăng tương ứng từ 0,053 lên 0,054 Nếu lưu lượng khí tiếp tục tăng lên sccm đến 10 sccm, hệ số ma sát ướt màng tăng từ 0,98 đến 0,135 13 3.2.2.4 Ảnh hưởng lưu lượng khí N2 đến độ bền bám dính màng TiAlBN Kết cho thấy độ bền bám dính tớt lưu lượng khí N2 khoảng - sccm tương ứng với tải tới hạn từ 19,1 N – 20,3 N Nếu tiếp tục tăng lưu lượng khí N2 lên, tải tới hạn có xu hướng giảm x́ng Ngồi ra, sử dụng lớp trung gian Cr độ bền bám dính màng tăng lên gấp lần so với không sử dụng lớp trung gian Bảng 3.5 Độ bền bám dính lưu lượng khí sử dụng lớp trung gian 2ccm 4sccm Lực tới hạn (N) 17,8 19,1 sccm sccm 10sccm Lớp trung gian Cr 20,3 15,6 16 42,4 3.2.3 Màng TiAlVN 3.2.3.1 Ảnh hưởng lưu lượng khí N2 đến cấu trúc thành phần hóa học màng TiAlVN Chỉ có đỉnh nhiễu xạ có cấu trúc lập phương tâm mặt (fcc) TiN (220) TiAlVN lưu lượng khí N2 đưa vào sccm Khi lưu lượng khí tăng lên sccm, xuất đỉnh nhiễu xạ có cấu trúc lập phương tâm mặt (fcc) - TiN (111), (200) (220) Nếu tiếp tục tăng lưu lượng khí N2 lên sccm 10 sccm, màng thu có cấu trúc hai pha gồm: lục giác xếp chặt (hcp) - AlN lập phương tâm mặt (fcc) - TiN Hay nói cách khác, màng thu có cấu trúc đơn pha lưu lượng khí N2 thấp (4, sccm) màng thu có cấu trúc pha fcc + hcp lưu lượng khí N2 cao (8,10 sccm) 3.2.3.2 Ảnh hưởng lưu lượng khí N2 đến độ cứng màng TiAlVN 14 Độ cứng màng tăng từ 30,6 GPa lên 36,5 GPa lưu lượng khí N2 tăng từ sccm lên sccm Nếu lưu lượng khí N2 tiếp tục tăng lên sccm 10 sccm, độ cứng màng có xu hướng giảm x́ng 3.2.3.3 Ảnh hưởng lưu lượng khí N2 đến hệ số ma sát mài mòn màng TiAlVN a) Điều kiện ma sát khô Trạng thái ban đầu, hầu hết hệ số ma sát màng phủ tăng nhanh, sau có xu hướng giảm dần ngoại trừ màng phủ phún xạ lưu lượng khí N2 12 sccm Ngồi ra, kết cho thấy màng phủ phún xạ sccm có hệ sớ ma sát thấp (~0,52) Khi tăng lưu lượng khí N2 từ sccm đến sccm, hệ sớ ma sát trung bình màng phủ tăng từ 0,58 lên 0,73 giá trị hệ số ma sát cao (~0,89) lưu lượng khí N2 10 sccm b) Điều kiện ma sát ướt Kết cho thấy hệ số ma sát điều kiện dầu tăng từ 0,094 lên 0,143 lưu lượng N2 tăng từ sccm lên 10 sccm So sánh với điều kiện ma sát khô, hệ sớ ma sát điều kiện có dầu bơi trơn giảm từ 5-6 lần c) Ảnh hưởng nhiệt độ nung đến hệ số ma sát màng Khi mẫu nung nhiệt độ 500oC, hệ số ma sát màng tăng Kết hình thành ơxít nhơm bề mặt mẫu thơ hóa kích thước hạt màng, pha Magnéli chưa hình thành nhiệt độ Khi tăng nhiệt độ nung lên 600oC 700oC, hệ số ma sát màng giảm xuống lần lượt 0,45 0,38 3.2.3.4 Ảnh hưởng đến độ bền bám dính màng TiAlVN 15 Kết cho thấy độ bền bám dính màng TiAlVN phún xạ lưu lượng khí N2 sccm có giá trị lực tới hạn cao 24,4 N Giá trị lực tới hạn thấp lưu lượng khí 10 sccm 18,3 N Khi sử dụng lớp trung gian Cr Ti, độ bền bám dính màng tăng từ 1,5-2 lần Bảng 3.8 Độ bền bám dính lưu lượng khí sử dụng lớp trung gian Cr, Ti Lực tới hạn (N) 4sccm sccm sccm 10sccm Lớp trung gian Cr Lớp trung gian Ti 22,1 24,4 19,9 18,3 41 47,2 3.2.4 So sánh tính màng chế tạo TiAlSiN, TiAlBN TiAlVN Bảng 3.9 Kết tính ba màng TiAlSiN, TiAlBN & TiAlVN Hệ số ma sát Độ cứng (GPa) Độ bền bám dính Modul đàn hồi (GPa) ướt Khơng có lớp trung gian Ma Ma sát khô sát TiAlSiN 33,5 346 0,795 0,105 23,4 TiAlBN 41 396 0,52 0,075 19,1 372 0,58 (chưa nung); 0,45 600oC) 0,38 700oC 0,112 24,4 TiAlVN 36,5 16 Sử dụng lớp trung gian 36,5 (Cr) 42,4 (Cr) 41 (Ti); 47,2 (Cr) CHƯƠNG CHẾ TẠO MÀNG PHỦ CỨNG ĐA LỚP TiAlX(Si,B)N/CrN Màng phủ cứng đa lớp TiAl-X(Si,B)N/CrN đế Si đế hợp kim WC-Co chế tạo phương pháp phún xạ magnetron chiều sử dụng hai bia phún xạ Ti50Al40X10 (X: Si,B) bia Cr Thơng sớ q trình phún xạ bao gồm: công suất phún xạ (300W), áp suất phún xạ (5 mtor), khoảng cách đế bia phún xạ (50 mm) lưu lượng khí Ar giữ 36 sccm Trong lưu lượng khí N2 sccm với màng đa lớp TiAlSiN/CrN sccm với màng TiAlBN/CrN Thời gian phún xạ thay đổi để khảo sát chiều dày màng đơn sau: TiAlSiN, TiAlBN: 10-15 phút CrN: 1-3 phút 4.1 Màng đa lớp TiAlSiN/CrN 4.1.1 Cấu trúc màng đa lớp TiAlSiN/CrN 4.1.1.1 Cấu trúc pha Hình 4.1 Giản đồ nhiễu xạ tia X màng đa lớp TiAlSiN/CrN (a); màng đơn lớp CrN (b); màng đơn lớp TiAlSiN (c) Kết nhiễu xạ màng đa lớp TiAlSiN/CrN (hình 4.1c) cho thấy xuất đỉnh phổ màng đa lớp kết hợp màng đơn lớp TiAlSiN CrN Tuy nhiên, vị trí đỉnh nhiễu 17 xạ bị xê dịch so với đỉnh nhiễu xạ TiN CrN Nguyên nhân thay nguyên tử Cr vào vị trí nguyên tử Ti với bán kính nguyên tử khác gây sai lệch thông số mạng 4.1.1.2 Cấu trúc tế vi Hình 4.2 Hình thái học bề mặt mặt cắt ngang màng đa lớp TiAlSiN/CrN :(a,d)- lớp; (b-e)- lớp; (c-f): 12 lớp Khi chiều dày cặp lớp màng TiAlSiN-CrN giảm x́ng, kích thước hạt bề mặt tăng lên ngược lại chiều dày cặp lớp màng tăng bề mặt màng đa lớp TiAlSiN/CrN giảm xuống 4.1.2 Độ cứng modul đàn hồi màng đa lớp TiAlSiN/CrN 4.1.2.1 Ảnh hưởng chiều dày cặp lớp màng Kết độ cứng màng đa lớp nằm khoảng từ 21 GPa đến 31,2 GPa Giá trị độ cứng cực đại xác định giá trị chiều dày 245 nm (trong TiAlSiN-127 nm & CrN-118 nm) Khi tăng chiều dày cặp lớp màng lên, độ cứng màng có xu hướng giảm 4.1.2.2 Ảnh hưởng số lớp màng 18 Kết nghiên cứu ảnh hưởng cho thấy tăng số lớp màng từ lên 12 lớp, độ cứng màng tăng nhanh từ 18,3 GPa lên 31,4 GPa Nếu tiếp tục tăng số lớp màng lên, giá trị độ cứng màng đa lớp TiAlSiN/CrN khơng có thay đổi đáng kể 4.1.3 Hệ số ma sát màng đa lớpTiAlSiN/CrN Giá trị hệ sớ ma sát trung bình đế hợp kim WC-Co 0,74, hệ sớ ma sát trung bình màng đơn lớp TiAlSiN CrN lần lượt 0,81 0,66 màng đa lớp TiAlSiN/CrN 0.71 4.1.4 Độ bền bám dính màng đa lớpTiAlSiN/CrN Q trình chế tạo màng đa lớp TiAlSiN/CrN có sử dụng lớp trung gian, độ bền bám dính màng đế hợp kim cải thiện đáng kể Khi lớp trung gian Cr không sử dụng, lực tới hạn thu 26,3N, lớp trung gian Cr sử dụng trình phún xạ tạo màng giá trị lực tới hạn > 30N 4.2 Màng đa lớp TiAlBN/CrN 4.2.1 Cấu trúc màng đa lớp TiAlBN/CrN 4.2.1.1 Cấu trúc pha Kết cho thấy phổ nhiễu xạ màng đa lớp (hình 4.9c) xuất đỉnh nhiễu xạ kết hợp đỉnh nhiễu xạ màng đơn lớp 4.2.1.2 Cấu trúc tế vi màng đa lớp Kết cho thấy chiều dày cặp lớp màng giảm xuống từ (815 + 663 nm) đến (79 + 86 nm), kích thước hạt màng đa lớp giảm x́ng (hình 4.10 a-c) Nguyên nhân cho màng đơn lớp TiAlBN có cấu trúc hạt mịn so với màng CrN, chiều dày cặp lớp màng nhỏ bề mặt màng đa lớp bị ảnh hưởng màng TiAlBN CrN 4.2.2 Độ cứng modul đàn hồi màng đa lớp TiAlBN/CrN 19 4.2.2.1 Ảnh hưởng chiều dày cặp lớp màng Kết cho thấy tăng chiều dày cặp lớp màng từ 165 nm lên 232 nm, độ cứng màng tăng nhanh từ 28,2 GPa lên 33,8 GPa Nếu tiếp tục tăng chiều dày cặp lớp màng lên, độ cứng màng có xu hướng giảm, xu hướng tương tự chế tạo màng đa lớp TiAlSiN/CrN 4.2.2.2 Ảnh hưởng số lớp màng Kết cho thấy số lớp màng tăng từ lên 14 lớp, độ cứng tăng từ 16.5 GPa lên 33.8 GPa Nếu số lớp màng tiếp tục tăng, độ cứng màng phủ đa lớp TiAlBN/CrN gần không thay đổi 4.2.3 Hệ số ma sát màng đa lớpTiAlBN/CrN Kết cho thấy giá trị hệ số ma sát màng đơn TiAlBN thấp (0.55), so sánh với hệ số ma sát mẫu màng đa lớp TiAlBN/CrN (0.59) CrN (0.64) đế hợp kim WC-Co (0.75) 4.2.4 Độ bền bám dính màng đa lớp TiAlBN/CrN Kết cho thấy với mẫu màng phủ chế tạo không sử dụng lớp trung gian, bề mặt màng có xu hướng bị bong tróc giá trị lực tới hạn đạt 24.7 N Khi lực tới hạn tiếp tục tăng lên, độ bong tróc màng tăng theo Với mẫu màng phủ sử dụng lớp trung gian, không quan sát thấy tượng bong tróc bề mặt màng lực tới hạn 30 N KẾT LUẬN CHUNG Bằng việc tự chế tạo bia phún xạ đa nguyên tố, chế tạo thành công màng phủ cứng đơn lớp – đa nguyên tố TiAlXN (X:Si, B, V) đa lớp – đa nguyên tố TiAlXN/CrN (X: Si, B) hợp kim cứng WC-Co công nghệ phún xạ magnetron, bao gồm 20 bước: (i) chế tạo bia phún xạ đa nguyên tố Ti50Al40X10 (X:Si, B, V) phương pháp luyện kim bột tiên tiến, (ii) chuẩn bị bề mặt mẫu đế hợp kim WC-Co, (iii) phún xạ magnetron chiều Trong đó, thơng sớ q trình phún xạ sau: - Công suất phún xạ: 300 W - Áp suất phún xạ: mtor - Khoảng bia đế: 50 mm - Lưu lượng dòng khí Ar: 36 sccm - Lưu lượng dòng khí N2: từ đến 10 sccm - Thời gian phún xạ: 30 phút Đối với màng phủ cứng đơn lớp, khảo sát ảnh hưởng lưu lượng dòng khí N2 đến tính chất loại màng TiAlXN sử dụng hệ bia Ti50Al40X10 (X:Si, B, V) Cụ thể, xác định lưu lượng dòng khí N2 tới ưu sccm đối với màng TiAlSiN TiAlVN, đối với màng TiAlBN 4sccm So sánh tính chất màng phủ cứng đơn lớp TiAlXN luận án chế tạo với số liệu công bố giới, cho phép rút kết luận, màng phủ đơn lớp TiAlBN chế tạo có độ cứng cao hệ số ma sát thấp so với công bố giới phương pháp chế tạo Còn màng phủ đơn lớp TiAlSiN TiAlVN chế tạo có độ cứng hệ sớ ma sát tương đương với cơng bớ giới có phương pháp chế tạo Màng TiAlVN qua xử lý nhiệt nhiệt độ lớn 600oC có hệ sớ ma sát thấp so với màng phủ loại khơng qua xử lý nhiệt hình thành pha Magnéli có khả tự bơi trơn Khi sử dụng lớp trung gian Cr, độ bền bám dính loại màng phủ tăng từ 1,5 đến lần so với không sử dụng lớp trung gian Kết cho thấy độ bền bám dính loại màng sử 21 dụng lớp trung gian Cr Ti (trong chế tạo màng TiAlVN) đảm bảo độ bền bám dính màng đế (tới hạn lớn 30 N) Đối với màng phủ cứng đa lớp TiAlSiN/CrN TiAlBN/CrN, khảo sát ảnh hưởng chiều dày cặp màng số cặp màng đến độ cứng màng đa lớp Cụ thể, màng phủ đa lớp TiAlSiN/CrN có độ cứng cao giá trị chiều dày cặp màng 245 nm (màng TiAlSiN 127 nm màng CrN 118 nm) tổng số cặp màng cặp (12 lớp) Còn đới với màng TiAlBN/CrN, độ cứng cao giá trị chiều dày cặp màng 232 nm tổng sớ cặp màng (14 lớp) CÁC ĐĨNG GĨP MỚI CỦA LUẬN ÁN - Thơng qua việc tự chế tạo bia phún xạ đa nguyên tố Ti50Al40X10 (X:Si, B, V), chế tạo nghiên cứu đặc trưng tính chất màng phủ cứng đơn lớp TiAlXN (X:Si, B, V) đa lớp TiAlXN/CrN (X: Si, B) hợp kim cứng WC-Co, công nghệ phún xạ magnetron chiều Màng phủ có tính chất tương đương tốt so với công bố giới có phương pháp chế tạo - Đã khảo sát ảnh hưởng lưu lượng dòng khí N2 đến cấu trúc tính chất loại màng đơn lớp TiAlXN(X:Si, B, V) Đặc biệt, xác định tỷ lệ lưu lượng dòng khí Ar : N2 tới ưu q trình phún xạ đới với màng phủ cứng đơn lớp TiAlSiN TiAlVN 36 sccm : sccm đối với màng TiAlBN 36 sccm : sccm - Đã xác định giá trị tối ưu chiều dày cặp màng số cặp màng để màng phủ cứng đa lớp TiAlSiN/CrN TiAlBN/CrN có tính chất tớt 22 CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ I Tạp chí q́c tế Van Duong Luong, Doan Dinh Phuong, Phan Ngoc Minh, Kyoung Il Moon, Influence of Nitrogen Gas Flow on the Hardness and the Tribological Properties of a TiAlBN Coating Deposited by Using a Magnetron Sputtering Process, Journal of the Korean Physical Society, 70(10) (2017) 929-933 (SCIIF:0.5) Doan Dinh Phuong, Van Duong Luong, Phan Ngoc Minh, Hyun Jun Park, Kyoung Il Moon, Microstructure, mechanical and tribological behavior of the TiAlVN coatings, Acta Metallurgica Slovaca, 24 (4) (2018), 266-272 (E-SCI) II Tạp chí nước hội nghị quốc tế Van Duong Luong, Doan Dinh Phuong, Nguyen Quang Huan, Do Thi Nhung, Phan Ngoc Minh, Kyoung Il Moon, Synthesis of the TiAlVN coating deposited by magnetron sputtering using a single target, Hội nghị vật lý chất rắn khoa học vật liệu toàn quốc lần thứ X, 2017 T.P Huế (ISBN: 978-604-95-0326-9) Van Duong Luong, Dinh Phuong Doan, “Structure and properties of the TiAlBN coatings” The 5th Asian Materials Data Symposium, Oct 30th - Nov 02nd 2016, Hanoi, Vietnam, (ISBN: 978-604-913-500-2) Van Duong Luong, Dinh Phuong Doan “Study on Fabrication of Multilayer TiAlSiN/CrN Coating on WC-Co Substrate by DC Magnetron Sputtering” The 13th Asian Foundry Congress (AFC 13), 2015 (ISBN: 978-604-938-550-6) Van Duong Luong, Dinh Phuong Doan, Kyoung Il Moon, Won Beom Lee “Synthesis and 23 characteristics of multilayer TiAlSiN/CrN coatings” Proceedings of International Workshop on Advanced Materials Science and Nanotechnology, IWAMSN 2014 Lương Văn Đương, Nguyễn Văn Luân, Trần Bảo Trung, Nguyễn Văn An “Nghiên cứu công nghệ phủ màng siêu cứng đa lớp TiAlSiN/CrN hợp kim cứng WC-Co phương pháp phún xạ” Tuyển tập hội nghị khoa học niên Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam lần thứ 13, 2014 (ISBN: 978-604-913-309-1) 24 ... Nghiên cứu chế tạo đặc trưng tính chất màng phủ nitrua hợp kim cứng WC-Co phương pháp phún xạ magnetron” Mục tiêu luận án - Chế tạo đặc trưng tính chất màng phủ cứng nitrua đơn lớp – đa nguyên... cứu chế tạo màng phủ nitrua đa lớp TiAlXN/CrN (X:Si, B) phương pháp phún xạ magnetron đặc trưng tính chất màng phủ đa lớp Các kết luận án đạt - Đã chế tạo thành công màng phủ cứng đơn lớp – đa. .. mẫu đem phân tích đặc trưng tính chất 2.1.2.3 Chế tạo màng đa lớp TiAlX(Si,B)N/CrN Kế thừa thông số tối ưu nghiên cứu chế tạo màng phủ nitrua đơn lớp, màng phủ đa lớp chế tạo với thông số