 |
Исследование качества и структурного состава защитных плёнок нитрида титата методом сканирующей туннельной микроскопии
|
|
|
|
| Ракшун Елена Валерьевна ГОУ Московский инженерно-физический институт (ГУ), кафедра 60 115409, Москва, Каширское шоссе, 31 тел. (0967) 68-23-46, (095) 234-17-93 эл. почта: shi-mi@mail.ru | 
|
Аннотация
Изучена структура защитных плёнок нитрида титана, создающихся жидкостным методом на поверхность высокоуглеродистых сталей. Получены контрастные по рельефу и трёхмерные кадры поверхности плёнок с разрешением не хуже 3 нм. Показано, что плёнка состоит из продолговатых чешуек толщиной порядка 40 нм и диаметром около 500 нм., в свою очередь состоящих из нанозёрен. Средний размер нанозёрен составляет около 50 нм. Средняя шероховатость Ra плёнки нитрида титана в целом составляет около 5 нм. Пор в плёнке нитрида титана не обнаружено.
Постановка задачи
Специфической особенностью тепловых электростанций является необходимость в сезонном, летнем отключении части энергетических блоков в связи с уменьшением потребления электроэнергии в этот период. Котёл отключенного энергетического блока, с другой стороны, выходит из строя из-за окисления поверхности и коррозии. Котёл представляет собой значительную по размерам конструкцию со многими скрытыми полостями, его поверхность нельзя подвергнуть вакуумированию и напылению на неё защитных покрытий. В Московском энергетическом институте разработана и исследуется специальная технология обработки котлов многокомпонентными жидкими растворами, имеющими в своём составе как поверхностно активные вещества для первичного снятия окислов и ржавчины, так и специальные реагенты, вступающие в реакцию со сталью и создающие на её поверхности защитную плёнку нитрида титана. По результатам натурных испытаний водомётным резаком, после этого увеличивается не только коррозионная стойкость поверхности, но и её механическая прочность. Технология подходит для повсеместного внедрения, включая лопатки турбин и даже церковные купола, т.к. поверхность нитрида титана имеет золотистый цвет. Совершенствование технологии для различных применений требует контроля пористости и зёренной структуры защитных плёнок, выполнение которого возможно только на высокоразрешающих микроскопах класса сканирующих зондовых. Получение контрасных по рельефу кадров в электронных микроскопах, как известно, затруднено.
|
|
|
Задачей настоящей работы явилось исследование образца из высоколегированной углеродистой стали, покрытой защитной плёнкой из нитрида титана вышеописанным способом. Необходимо было получить контрастные изображения микро- и нано- структуры плёнок и дать выводы о средних размерах зёрен и заключение об отсутствии пор или о их средних размерах в случае наличия.
Экспериментальная часть
Проверка образца тестером (модель М-830BZ) на электропроводность показала чрезвычайно низкое электрическое сопротивление образца, менее 10 Ом. Из-за этого для сканирования был выбран режим сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), который даёт наилучшее разрешение по сравнению с другими режимами сканирования, но требует наличия низкого электрического сопротивления. СТМ-режим реализован на российском мульти-микроскопе СММ-2000 (изготовитель ОАО «Завод Протон-МИЭТ», г. Зеленоград), который и был использован для данного исследования.
Из образца размером 10/20 мм и толщиной 0.1 мм был вырезан образец размером 6/6 мм, который был зафиксирован пружинкой из фосфористой бронзы на держателе для подвода туннельного напряжения. Сканирование проводилось платиновой иглой, обрезанной прецизионными ножницами с разрывом.
|
|
|
Сканирование велось со скоростью около 4 мкм / сек и количеством усреднений в точке – 16, что дало приемлемые результаты. Чтобы получить достаточное для данного образца разрешение в 30 Ангстрем было выбрано поле в 1.5/1.5 мкм с количеством точек 518/518.
Результаты и обсуждение
Первичный кадр представлен на рис.1. На нём видно, что плёнка нитрида титана состоит из чешуек, вытянутых в одном направлении. Кадр достаточно контрастный и не содержит значительных помех, а небольшие помехи не нуждаются в фильтрации.
Представление кадра в трёхмерном виде (рис. 2) также контрастно выявило чешуйчатую структуру плёнки. Чешуйки имеют довольно гладкую поверхность. Пор в плёнке нитрида титана не обнаружено.
Вывод профилей частиц (рис. 3), наблюдаемых на кадре, дал следующие результаты: толщина чешуек составляет около 40 нм при их латеральных размерах около 500 нм.
Средняя шероховатость поверхности плёнки нитрида титана (рис.4) Ra составила около 5 нм.
Вывод об отсутствии гомогенности частиц дал фрактальный анализ кадра (рис. 5). График фрактального анализа имеет ярко выраженное различие в наклоне. Есть различия в развитости двух классов объектов. Мелкие нанозёрна (наночастицы), из которых состоят чешуйки (5 – 40 нм), имеют развитую поверхность. Сами же чешуйки довольно гладкие.
Морфологический анализ (рис.6,7) показал что размеры нанозёрен (наночастиц), из которых состоят чешуйки, составляют от 30 до 100 нм. Кроме того, поскольку график начинается не от 5 нм, можно предположить существование ограниченного числа частиц размером до 5 нм. Выделяется также присутствие относительно больших нанозёрен с размером более 100 нм.
Выводы
В результате исследования были получены контрасные 2- и 3-мерные СТМ – кадры с разрешением до 20-30 Ангстрем. Показана чешуйчатость плёнки нитрида титана и отсутствие на неё пор. Средний размер чешуек.. Показана тонкая структура чешуек – они состоят из нанозёрен с размерами 30-100 нм. Фрактальный анализ показал гладкость чешеук в целом, хотя они и состоят из развитых по поверхности нанозёрен.
Список литературы
1. Рыженков В.А., Нестеров С.Б., Бодров А.А., Миронов К.Н. Способ нанесения многослойного износостойкого покрытия на изделия из железных и титановых сплавов. Патент РФ № 2106429 от 10.03.98.
|
|
|
2. Логинов Б.А., Руководство пользователя микроскопа СММ-2000, МИФИ-2005.
|
| Рис.1. Первичный кадр |
|
| Рис.2. Трёхмерный вид кадра |
|
| Рис.3. Профиль сечения средних по размерам частиц |
|
| Рис.4. Средняя шероховатость поверхности по всему кадру |
|
| Рис.5. Фрактальный анализ кадра |
|
| Рис.6. Морфологический анализ кадра – графики распределений объектов по диаметрам |
|
| Рис.7. Морфологический анализ кадра |
|
|
|
