METAL 2001
15. - 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Republic
VLIV SVAROVÉHO SPOJE NA VLASTNOSTI NANÁŠENÝCH TENKÝCH VRSTEV TIN INFLUENCE OF WELDING ON PROPERTIES DEPOSITED THIN FILMS TIN Lenka Pourováa Radek Němecb Ivo Štěpánekc a) Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní 22, 306 14 Plzeň, ČR, b) Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní 22, 306 14 Plzeň, ČR,
[email protected] c) Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní 22, 306 14 Plzeň, ČR,
[email protected] Abstrakt The paper is devoted by analysis of influence of welding connection on properties and behaviour of systems thin film – welding connection – basic material. Here is very important to characterise temperature influenced areas. The changing the structure and mechanical properties are characterised across welding connection on surface and cross section too. The properties on the surface basic material – welding connection – basic material strong influence properties of thin films. Here are characterised changing mechanical properties by nanoindentor on the surface and on cross section too by line profile measurement. ÚVOD Na základě stále se rozšiřujících možností deposice tenkých vrstev dochází v řadě směrech k tomu, že často jsou deponovány systémy materiálů s rozdílnými vlastnostmi. Je známo, že základní materiál je jedním z nejdůležitějších parametrů deposičního procesu a jeho vlastnosti případně změny jeho vlastností silně ovlivňují celkové chování systému tenká vrstva – substrát. Byla vypracována řada metodik hodnocení vlivu základního materiálu na vlastnosti či často přesněji na hodnocení vlastností tenkých vrstev. V současné době se soustřeďuje pozornost na hodnocení jak základního materiálu před deposičním procesem tak následně po realizaci deposičního procesu. Jsou následně hodnoceny vlastnosti a chování systémů tenká vrstva – substrát jak z přihlédnutím na hodnocení tenkých vrstev tak s přihlédnutím na snahu získat informace o změnách vlastností základního materiálu pod povrchovou tenkou vrstvou. Je studován vliv základního materiálu a jemu následně přizpůsobován deposiční proces. Co však dělat při deposičním procesu v případě výskytu systému materiálů a jak jemu přizpůsobit deposiční proces? Je nutno především charakterizovat daný materiál a jeho vliv na výsledné chování systému s tenkou vrstvou a chování tenké vrstvy v místech různých základních materiálu či pstupných přechodových oblastí.
-1-
METAL 2001
15. - 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Republic
1. TECHNOLOGICKÉ PROCESY Jedním ze způsobů spojování materiálů je svařování. V tomto případě dochází ke spojení dvou základních materiálů stejný či rozdílných. Celý systém skládající se ze základního materiálu a svarového materiálu pak má nehomogenní rozložení vlastností a chování. Jednak jsou rozdílné vlastnosti základního materiálu od svarového materiálu a jednak vlivem svařování dochází k modifikaci vlivem vysoké teploty vlastností základního materiálu v blízkosti svaru. V podstatě pak se nám rozvrství materiál na základní materiál, přechodovou oblast mezi základním materiálem a tepelně ovlivněnou zónou, tepelně ovlivněnou zónu, přechodovou oblast mezi tepelně ovlivněnou zónou a svarovým materiálem a svarový materiál. Do hodnocení jsou vsunuty další oblasti přechodů, které závisí na definici v tomto případě, kdy hovoříme jednak o makrooblastech a jednak o mikrooblastech v hodnocení. Takto upravený materiál je cílem zlepšovat deposicí tenkých vrstev v konkrétním případě deposicí tenkých vrstev pomocí nízkonapěťového reaktivního obloukového odpařování ve vakuu. 2. MECHANICKÉ VLASTNOSTI Přes celý svařený kus materiálu se mění vlastnosti a tím se mění podmínky pro deposiční proces. Ve většině aplikací se jedná především o mechanické vlastnosti, i když v širším pohledu se hodnotí i kombinované namáhání vytvářených systémů. Při hodnocení mechanických vlastností je nutno přihlédnout k metodám hodnocení mechanických vlastností jak základního materiálu a svaru tak hodnocení tenkých vrstev. Musí být prováděna měření pro možnosti srovnávání vlastností dosti rozdílných materiálů. Na uvedených systémech jsou tudíž měřeny základní vlastnosti jako je makrotvrdost na makrotvrdoměru Ernst 180 D, mikrotvrdost na základě klasického hodnocení z měření vtisků, dále však se přechází z důvodů hodnocení tenkých vrstev na hodnocení nanotvrdosti při malých zatíženích bez ovlivnění měření základním materiálem [1], [2]. V případě hodnocení nanotvrdosti na základním materiálu však při malých zatíženích hodnotíme v mikrolokalitách [3] a tudíž je nutno započítat i konkrétní oblasti měření a měření se dělí na měření v různých strukturních složkách základního materiálu, přechodových oblastí a případně svaru. Pro zhodnocení změn vlastností přes materiál od základního materiálu přes tepelně ovlivněnou oblast až do svaru se provádí měření profilů změn mechanických vlastností a chování se zjemňováním kroků v přechodových oblastech a proměřování se provádí ve všech strukturních složkách [4]. Tato měření budou následně vstupem pro hodnocení systémů s tenkými vrstvami. 3. STRUKTURNÍ VLASTNOSTI Vlivem působících vyšších teplot při procesu svařování dochází k modifikaci vlastností základního materiálu a tím ke změnám strukturních vlastností. Strukturní vlastnosti mohou mít významný vliv na následný proces deposice tenkých vrstev. Další modifikací strukturních vlastností může být samotný deposiční proces případně jeho část např. iontový bombard. Tyto změny jsou ve srovnání se změnami vlivem svařování méně rozsáhlé, ovšem význam pro především adhezi tenkých vrstev mají. Strukturní vlastnosti jsou zmapovány jak v základním materiálu tak ve svaru a v přechodové tepelně ovlivněné oblasti. Vytvořený profil změn mikrostruktury je v prvém případě využit pro nastavení mikrolokalit měření při hodnocení profilu mechanických vlastností od základního materiálu přes tepelně ovlivněnou oblast až do svarového materiálu. Krok měření je zjemňován podle pozorovaných změn jak strukturních tak mechanických vlastností. -2-
METAL 2001
15. - 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Republic
Na celkovém systému bude provedena dále deposice tenkých vrstev a sledovány změny vlastností vlivem změn vlastností v oblastech měření od základního materiálu přes tepelně ovlivněnou oblast až po svarový materiál. Naví budou hodnoceny i změny vlastností do hloubky jak z příčného řezu tak z povrchu systému tenká vrstva – svařený celek materiálů. Prvotní experimenty jsou prováděny na dvou základních materiálech a to materiál tř. 11 a materiál tř. 15. Je to z důvodů zachycení změn u dvou velmi rozdílných materiálů. Na obr. 1 jsou znázorněny strukturní vlastnosti základního materiálu tř. 11 a na obr. 2. Je zachycena přehledově celá oblast přechodu od základního materiálu přes přechodovou tepelně ovlivněnou oblast až do svarového materiálu. Na obr. 3. Je znázorněna prvotní mikrostruktura základního materiálu tř. 15 a na obr. 4. Znázorněn přehledně přechod od základního materiálu přes tepelně ovlivněnou oblast až do svarového materiálu.
Obr. 1: Struktura základního materiálu tř. 11 před procesem svařování
-3-
METAL 2001
15. - 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Republic
Obr. 2: Přehledné vyobrazení změn mikrostruktury od základního materiálu tř. 11 přes přechodovou oblast až do svarového materiálu.
Obr. 3: Struktura základního materiálu tř. 15 před procesem svařování
Obr. 4: Přehledné vyobrazení změn mikrostruktury od základního materiálu tř. 15 přes přechodovou oblast až do svarového materiálu. ZÁVĚR Vzhledem k další exanzi technologií deposice tenkých vrstev a vzhledem k tomu, že se často vyskytují složité kombinace materiálů, které je možno povlakovat pro získání zlepšených vlastností bylo a je nutno rozvinout řešení problematiky vlivu základního materiálu na finální vlastnosti a chování systémů tenká vrstva – substrát do dalších oblastí
-4-
METAL 2001
15. - 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Republic
jako je např. hodnocení svarových spojů s výhledem možného povlakování a vlivu svarového spoje na vlastnosti systémů tenká vrstva – substrát v různých místech takto vytvořeného materiálu. Strukturní a mechanické vlastnosti se přes celý systém mění, což může výrazně ovlivňovat vlastnosti a chování celého systému, které bude předmětem dalšího hodnocení v této oblasti studia korelace deposičních parametrů, vlastností.a chování sledovaných systémů, mikrostruktury ale i metodik hodnocení s přihlednutím na makro i mikrooblasti hodnocení. Příspěvek byl prezentován v rámci řešení projektu MPO č. FB-C3/73/00 LITERATURA [1].O.Bláhová, I.Štěpánek, Š.Šimůnková, B.Vávrová, Analýzy mechanických vlastností tenkých vrstev nanoindentorem, mezinárodní symposium INOVACE ‘97 Praha, s. 4 -24. [2]. I.Štěpánek, O. Bláhová, Š. Šimůnková, J. Brůnová, Method for analysis properties and behaviour of thin hard films, mezinárodní konference ICSFS ‘98 Copenhagen 1998 [3].I.Štěpánek,B.Vávrová,Komplexní metodika nanoindentačních měření v mikrolokalitách a cyklické indentační měření, mezinárodní konference Metal 99 Ostrava 1999 [4] Z.Bartůšková, I.Štěpánek, Tepelné namáhání systému s tenkými vrstvami a tvorba oxidických vrstev, sborník konference AKI 99 Rožnov pod Radhoštěm 1999
-5-
