Společný vývoj průmyslového povlaku nové generace

Spolupráce s Masarykovou univerzitou začala již v roce 1995. Tehdy firma SHM společně s profesory Janem Jančou z MU Brno a Stanislavem Vepřekem z TU Mnichov zkoumala, proč připravené povlaky s přídavkem křemíku vykazují extrémně vysokou tvrdost. O něco později získaly tyto typy povlaků všeobecně používaný název nanokompozitní supertvrdé materiály. Na spolupráci z 90. let navázal Ústav fyzikální elektroniky Přírodovědecké fakulty MU v roce 2011.

Obnovení spolupráce s firmou SHM bylo přirozené. Do budoucna firma plánuje stáže pro studenty, aby získali představu o vývoji a výzkumu v průmyslu již během svých studentských let, nebo mohli využít průmyslových depozičních zařízení na experimenty pro své závěrečné práce.

Houževnatým tvrdým vrstvám se na MU věnuje profesor Petr Vašina. S firmou SHM se jeho tým pustil do hledání ochranného povlaku nové generace, který by vhodně kombinoval vlastnosti kovů a keramik, tedy vysokou tvrdost a lomovou houževnatost. Ačkoliv jde o základní výzkum, chtěla do něj být firma zapojena hned od začátku. „Překvapilo nás, že se rozhodli jít do takto riskantního projektu, kdy hledáme materiál, který byl teoreticky předpovězen, ale nikdo ho ještě nesyntetizoval a neověřil, že opravdu vykazuje požadovanou kombinaci vlastností,“ chválí Vašina firmu, která byla ochotná do výzkumu vložit vlastní kapitál i přesto, že jejich první společná žádost o projekt aplikovaného výzkumu MPO TRIO nevyšla. Napodruhé už s žádostí o finanční podporu ministerstva uspěli, což výzkum pro obě strany výrazně zjednoduší. Firma bezplatně zapůjčila univerzitě jedno ze svých experimentálních zařízení a kompletně zajišťuje jeho provoz i servis. Týmu profesora Vašiny to umožnilo nabrat dva nové doktorandy a začít se naplno věnovat hledání povlaku nové generace. „Zároveň v SHM akceptovali, že produkt, pokud se nám ho vůbec povede vyvinout, bude k dispozici až za relativně dlouhou dobu, odhadujeme, že zhruba za čtyři roky,“ dodává Vašina.

V současné době typické používané ochranné povlaky, jako jsou TiAlN, c-BN nebo TiB2, vynikají vysokou tvrdostí a tuhostí. Zároveň však vykazují nízkou lomovou houževnatost, a tedy křehké chování – jakmile je jednou vytvořena trhlina, dojde k jejímu rychlému šíření. To výrazně snižuje životnost povlakovaných nástrojů. Lomovou houževnatost povlaků lze ilustrovat například vtiskovými zkouškami. Na obrázku 1 jsou ukázány reziduální vtisky po indentaci diamantového hrotu s velkou zátěží 1 N do 1,2 μm tlustého povlaku TiN (1a), TiAlN (1b) a TiB2 (1c). V ploše vtisku i v jeho okolí jsou vidět více či méně výrazné trhliny. Obr. 2 ukazuje výsledky obdobného testu u kovového povlaku z čisté mědi, která je tažná a žádné trhliny se v ní netvoří, ale s tvrdostí 3 GPa není použitelná jako ochranný povlak. Pro novou generaci ochranných povlaků je tedy velmi žádoucí v materiálu povlaku zkombinovat vysokou tvrdost a tuhost se střední tažností a vysokou lomovou houževnatostí.

V nedávné době se v tomto ohledu dostaly do popředí zájmu nanolaminátní povlaky typu X2BC na bázi kovu, boru a uhlíku. Podle ab-initio výpočtů tyto materiály vykazují neobvyklou kombinaci vysoké tuhosti odpovídající současným ochranným povlakům se střední tažností a z toho vyplývající vysokou lomovou houževnatostí. Této neobvyklé kombinace tvrdosti a lomové houževnatosti je dosaženo díky intrinsicky nanolaminátní struktuře na atomární úrovni. V základní krystalické buňce se u materiálů typu X2BC střídají silně vázané vrstvy kov–bor a kov–uhlík zajišťující vysokou tvrdost s vrstvami se slabými kovovými vazbami, které zajišťují dobrou tažnost materiálu.

Dosud byla ze skupiny X2BC věnována největší pozornost v experimentálním výzkumu povlaku Mo2BC a z něho odvozeným materiálům typu Mo-B-C, kde není nutně dodrženo stechiometrické složení odpovídající Mo2BC. Dosavadní výsledky potvrzují teoreticky vypočtené hodnoty elastického modulu a dobrou lomovou houževnatost. Připravené povlaky byly podrobeny stejným vysokozátěžovým testům, jaké byly provedeny pro výše představené povlaky TiN, TiAlN a TiB2. Reziduální vtisk v Mo-B-C povlaku po takovémto testu je ukázán na obr. 3. V okolí vtisku ani v jeho ploše nejsou žádné trhliny, což ukazuje na podstatně zvýšenou lomovou houževnatost tohoto povlaku oproti komerčně dostupným povlakům. To je ještě lépe vidět na řezu v oblasti reziduálního vtisku na obr. 4, kde je poloha hrotu vyznačena šipkou. Vlivem vysoké zátěže při testu se zdeformoval povlak i tvrdokovový substrát. Povlak ukázal dobrou adhezi k substrátu i vnitřní kohezi (nedošlo ani k delaminaci ani k tvorbě trhlin), zároveň však i zajímavou tvrdost 27 GPa.

Nejperspektivnějším, přesto však málo prozkoumaným povlakem ze skupiny X2BC je W2BC. Podle simulací by měl tento povlak vykazovat nejvyšší tuhost a zároveň i nejvyšší tažnost a lomovou houževnatost. Jeho nevýhodou by mohla být teoreticky předpovězená nízká chemická stabilita a také i obtížnost přípravy příslušné krystalické fáze W2BC.

Tento velmi perspektivní povlak je nyní experimentálně připravován v laboratořích Masarykovy univerzity s využitím průmyslového depozičního zařízení zapůjčeného firmou SHM. Většina připravených vrstev vykazovala amorfní strukturu s výjimkou vrstev, jejichž složení bylo blízké W2BC. Tyto vrstvy vykazovaly přítomnost jemnozrnné krystalické fáze s výraznou preferenční orientací zrn. Přítomnost krystalické fáze se však nijak výrazně neprojevila v nárůstu tvrdosti, jejíž maximum bylo naopak naměřeno pro vrstvy obsahující menší zastoupení wolframu, než odpovídá stechiometrii krystalických W2BC vrstev. Nárůst tvrdosti a modulu pružnosti u těchto povlaků velmi dobře koreluje s relativním zastoupením W-B vazeb. Připravené vrstvy vykazovaly dobrou adhezi ke kovovým substrátům a zvýšenou lomovou houževnatost. Praskliny často vznikaly a šířily se z růstových defektů vrstvy, na jejichž potlačení vhodným způsobem čistění vzorků před depozicí se nyní intenzivně pracuje.

Vývoj tvrdosti a míry krystalinity povlaku W-B-C

Z uvedeného je zřejmá vysoká míra nejistoty dosažení požadovaných výsledků, které by bylo možné průmyslově účelně využít. To je v oblasti základního výzkumu běžný doprovodný jev. Proto není zcela běžné, aby se průmyslová firma střední velikosti zapojila již v této fázi výzkumu do spolupráce s pracovištěm základního výzkumu. Pokud ale chceme nalézat neobvyklá, originální a nadstandardní řešení a posouvat inovace našeho průmyslu z oblasti kosmetického vylepšování do oblasti převratných inovací, nezbývá než se do podobných spoluprací pouštět častěji.

Text článku vznikl ve spolupráci s časopisem Interface.

Masarykova univerzita
SHM

Prof. Petr Vašina, Vjačeslav Sochora, Ph.D., RNDr. Pavel Holubář

holubar@shm-cz.cz

sochora@shm-cz.cz

www.shm-cz.cz

www.muni.cz/o-univerzite/fakulty-a-pracoviste/prirodovedecka-fakulta/312030-ustav-fyzikalni-elektroniky