Условия получения бездефектных квазикристаллических покрытий Al–Cu–Fe способом электронно-лучевого вакуумного осаждения

Abstract

Показано, что покрытия с квазикристаллической структурой системы Al—Cu—Fe могут быть получены способом электронно-лучевого вакуумного осаждения при температурах подложки 570...870 К. В осажденных таким образом покрытиях иногда обнаруживаются сквозные трещины. Рентгенодифракционным методом установлено, что остаточные напряжения в бездефектных покрытиях Al—Cu—Fe линейно возрастают с увеличением температуры их осаждения, что связывается с ростом термических напряжений, обусловленных различием в линейных коэффициентах термического расширения (ЛКТР) подложки и покрытия. В случаях, если в процессе охлаждения подложки до комнатной температуры упругие напряжения достигают некоторого критического значения, они приводят к образованию сквозных трещин. Из анализа зависимости уровня остаточных напряжений в покрытии от температуры осаждения был определен ЛКТР (αc = (17,1±1,3)р10⁻⁶/К⁻¹) материала покрытия. Вязкость разрушения покрытия оценили как Г = 15,7±1,1 Джрм⁻². Полученные характеристики покрытия All—Cul—Fe использовали для расчета его критической толщины, при которой сохраняется бездефектная структура поверхности в зависимости от материала подложки и температуры осаждения покрытия. Экспериментальные исследования структуры поверхности покрытий, осажденных при различных значениях температуры на подложки из сталей K600, K890 и K110, показали, что сквозное растрескивание покрытий не зафиксировано в тех случаях, когда их толщина меньше рассчитанной критической.

It is shown that the coatings with a quasi-crystalline structure of Al—Cu—Fe system were produced by the method of electron beam deposition in vacuum at 570...870 K temperatures of substrate. Through cracks are sometimes revealed in coatings deposited by this method. It was found by X-ray diffraction method that the residual stresses in defect-free Al—Cu—Fe coatings are growing with increase in temperature of their deposition that is due to the growth of thermal stresses, caused by the difference in linear coefficients of thermal expansion (LCTE) of substrate and coating. In cases, when elastic stresses reach some critical value in the process of substrate cooling to room temperature, they lead to the formation of through cracks. LCTE (αc = (17.1±1.3)x10⁻⁶/K⁻¹) of coating material was determined from the analysis of dependence of level of residual stresses in coating on deposition temperature. Fracture toughness of coating was evaluated as G = 15.7±1.1. J⋅m⁻². The obtained characteristics of Al—Cu—Fe coating were used for calculation of its critical thickness at which the defect-free structure of surface is retained depending on substrate material and deposition temperature. Experimental studies of structure of surface of coatings, deposited on substrates of steels K600, K890 and K110 at different temperatures, showed that the through cracking of coatings was not observed in those cases when their thickness was less than calculated critical one.