57
Universitatea Transilvania din Braşov Şcoala Doctorală Interdisciplinară Departament: ŞtiinŃa Materialelor Ing. Alice-Ortansa MATEESCU REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT CERCETĂRI PRIVIND REALIZAREA ŞI CARACTERIZAREA STRATURILOR SUBłIRI (NANOMETRICE) CU APLICAłII ÎN TEHNOLOGIA MATERIALELOR AVANSATE RESEARCHES FOR ACHIEVEMENT AND CHARACTERIZATION OF (NANOMETRIC) THIN FILMS WITH APPLICATIONS IN ADVANCED MATERIALS TECHNOLOGY Conducător ştiinŃific Prof. univ. dr. ing. Cornel SAMOILĂ BRAŞOV, 2015

REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate2015/MateescuAlice.pdf · rezumat tezĂ de doctorat cercetĂri privind realizarea Şi

  • Upload
    others

  • View
    42

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate2015/MateescuAlice.pdf · rezumat tezĂ de doctorat cercetĂri privind realizarea Şi

Universitatea Transilvania din Braşov

Şcoala Doctorală Interdisciplinară

Departament: ŞtiinŃa Materialelor

Ing. Alice-Ortansa MATEESCU

REZUMAT

TEZĂ DE DOCTORAT

CERCETĂRI PRIVIND REALIZAREA ŞI CARACTERIZAREA

STRATURILOR SUBłIRI (NANOMETRICE) CU APLICAłII ÎN

TEHNOLOGIA MATERIALELOR AVANSATE

RESEARCHES FOR ACHIEVEMENT AND CHARACTERIZATION OF

(NANOMETRIC) THIN FILMS WITH APPLICATIONS IN

ADVANCED MATERIALS TECHNOLOGY

Conducător ştiinŃific

Prof. univ. dr. ing. Cornel SAMOILĂ

BRAŞOV, 2015

Page 2: REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate2015/MateescuAlice.pdf · rezumat tezĂ de doctorat cercetĂri privind realizarea Şi

MINISTERUL EDUCAłIEI ŞI CERCETĂRII ŞTIINłIFICE

UNIVERSITATEA “TRANSILVANIA” DIN BRAŞOV BRAŞOV, B-DUL EROILOR NR. 29, 500036, TEL. 0040-268-413000, FAX 0040-268-410525

RECTORAT

D-lui (D-nei) ..............................................................................................................

COMPONENłA Comisiei de doctorat

Numită prin ordinul Rectorului UniversităŃii „Transilvania” din Braşov Nr. 7540 din 02.10.2015

PREŞEDINTE: - Prof. univ. dr. ing. Teodor MACHEDON PISU

DECAN - Facultatea de ŞtiinŃa şi Ingineria Materialelor

Universitatea “Transilvania” din Braşov

CONDUCĂTOR ŞTIINłIFIC: - Prof. univ. dr. ing. Cornel SAMOILĂ

Universitatea “Transilvania” din Braşov

REFERENłI: - Prof. univ. dr. fiz. Ioan STAMATIN

Universitatea din Bucureşti

- Prof. univ. dr. ing. Victor GEANTĂ

Universitatea “Politehnica” din Bucureşti

- Prof. univ. dr. fiz. Doru URSUłIU

Universitatea “Transilvania” din Braşov

Data, ora şi locul susŃinerii publice a tezei de doctorat: Vineri – 06.11.2015,

ora 11.00, sala W.III.4.

Eventualele aprecieri sau observaŃii asupra conŃinutului lucrării vă rugăm să

le transmiteŃi în timp util, pe adresa [email protected].

Totodată vă invităm să luaŃi parte la şedinŃa publică de susŃinere a tezei de

doctorat.

Vă mulŃumim.

Page 3: REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate2015/MateescuAlice.pdf · rezumat tezĂ de doctorat cercetĂri privind realizarea Şi

Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)

cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

1 Cuprins

CUPRINS

Pagina Teză Rezumat

Cuprins …………………………………………………………………………..... ….………... 1 1

Cuvânt introductiv ………………………………………………………………… MulŃumiri ………………………………………………………………................

…………………………

7 8

9 10

0 INTRODUCERE

0.1. Scopul tezei de doctorat ………………………………..............................… ……..…….. 9 11

0.2. MotivaŃia, noutatea şi importanŃa temei de cercetare ….…............................ ……..…….. 9 11

0.3. Introducere în tematica tezei de cercetare ……………..…............................ ……..…….. 10 11

0.4. NoŃiuni de bază utilizate în caracterizarea structurală şi compoziŃională a

straturilor subŃiri complexe şi nanostructurate: strat subŃire, entităŃi

structurale, materiale nanostructurate, diagrame de fază ……………………

…..………..

12

-

0.5. Straturi subŃiri nanostructurate. Clasificarea materialelor nanostructurate .... .…………... 20 -

CAPITOLUL 1

1. Stadiul actual al cercătărilor privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri tribologice cu compoziŃie complexă şi structură nanometrică ………….

……..……..

23

13

1.1. Stadiul actual şi tendinŃe în realizarea acoperirilor tribologice prin pulverizare

magnetron ……………..……………………………………………….………

……………

23

13

1.1.1. NoŃiuni generale ……………………………………........................... ………..….. 23 13

1.1.2. Catozi Penning de pulverizare (magnetroane) şi sisteme de

pulverizare magnetron …………………..........................................…

……………

30

14

1.1.3. EvoluŃia tehnologiilor de realizare a straturilor subŃiri tribologice,

depuse în vid ……………………………. ..........................................

……………

34

14

1.2. Stadiul actual şi tendinŃe în caracterizarea acoperirilor tribologice ................... …………… 40 -

1.2.1. Caracterizarea straturilor subŃiri. GeneralităŃi ......................................... ..………….. 40 -

1.2.2. Clasificarea proprietăŃilor esenŃiale ale straturilor subŃiri tribologice ..... …………… 42 -

1.3. Obiectivele cercetării din cadrul tezei de doctorat ………………………….… …………… 44 15

CAPITOLUL 2

2. Date tehnice generale privind metodele, echipamentele şi materialele, utilizate la realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri tribologice ..............................

…….……

47

17

2.1. InstalaŃia MultifuncŃională de Depunere a Straturilor SubŃiri în Vid (IM-

DSSV) utilizată la realizarea probelor ...............................................................

……………

47

17

2.2. Microscopia de forŃă atomică (AFM) utilizată la evaluarea rugozităŃii şi

dimensiunii grăunŃilor de cristalizare a straturilor subŃiri ..................................

……….…

56

17

22.3. Spectrometria de retroîmprăştiere Rutherford (Rutherford Backscatteing

Spectrometr) utilizată la evaluarea compoziŃiei şi grosimii straturilor subŃiri

…..…….…

61

18

2.4. Indentarea utilizată la evaluarea caracteristicilor mecanice (duritate şi modul

de elasticitate) ale materialelor …......................................................................

…....………

64

18

2.5. Testul de zgâriere (scratch test) utilizat la evaluarea caracteristicilor

mecanice (aderenŃă) pentru straturile subŃiri tribologice …..................………

…..…..……

70

19

2.6. Evaluarea uzurii şi a coeficientului de frecare pentru cuplele de frecare cu

ajutorul tribometrului tip pin pe disc sau bilă pe disc ………………........……

….....……...

74

20

2.7. Alte echipamente utilizate pentru caracterizarea probelor …............................ ….....……... 76 20

2.8.

Date tehnice existente în literatura de specialitate privind materialele de interes pentru realizarea acoperirilor tribologice prin metoda Pulverizarii

Magnetron …………..........................................................................................

..……..……

77

-

2.9.

Date tehnologice existente în literatura de specialitate privind randamentul de

pulverizare şi rata de depunere pentru materiale uzual folosite în depunerea

de straturi subŃiri în vid ......................................................................................

..………..…

79

-

2.10 Date tehnice si proprietăŃi fizico-mecanice importante ale materialelor de bază, prezentate în brevetele de invenŃie ale autoarei acestei lucrări şi alese în

această lucrare pentru a fi utilizate la realizarea acoperirilor tribolgice,

(WS2; Grafit; WC şi TiB2) ………………………............................................

….….……..

82

-

2.10.1. Date tehnice generale despre bisulfura de wolfram …........................... …..……….. 82 -

Page 4: REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate2015/MateescuAlice.pdf · rezumat tezĂ de doctorat cercetĂri privind realizarea Şi

Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)

cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

2 Cuprins

2.10.2. Date tehnice generale despre carbon/grafit ………................................ ……..…….. 92 -

2.10.3. Date tehnice generale despre carbura de wolfram ................................. …..……….. 100 -

2.10.4. Date tehnice generale despre diborura de titan ...................................... ………..….. 103 -

CAPITOLUL 3

3. Cercetări experimentale pentru evaluarea capabilităŃilor tehnice ale instalaŃiei utilizată la realizarea acoperirilor tribologice din cadrul tezei …......

.…………...

105

21

3.1. Timpi de vidare, vid limită şi neetanşeitate cameră tehnologică …………...… .…………... 105 21

3.2. Experimentări tehnologice pentru stabilirea domeniului de variaŃie al

presiunilor de echilibru în spaŃiul tehnologic, funcŃie de debitul de gaze (argon şi azot) introdus în spaŃiul tehnologic ………………........................…

.…...………

108

-

3.3. Domeniul teoretic şi practic de lucru al magnetroanelor ……………………... .…………... 110 22

CAPITOLUL 4

4. Cercetări experimentale pentru determinarea ratelor de depunere ale materialelor utilizate la realizarea acoperirilor tribologice ……………….........

.…..……….

111

23

4.1. Date tehnologice pentru depunerea Ti, W, TiB2 şi WC ……............................ …..……….. 111 24

4.2. Experimentări tehnologice pentru stabilirea domeniului de variaŃie al

presiunilor de lucru şi al ratelor de depunere pentru următoarele materiale

uzuale simple: Ti; Al; C; utilizabile pentru obŃinerea de straturi lubrifiante

uscate prin pulverizare magnetron standard în cc ……………...…..............…

....…………

114

-

4.3. Parametrii tehnologici de obŃinerea a nitrurilor metalice de Ti şi Al (TiN;

AlN) utilizate la realizarea acoperirilor tribologice, prin pulverizare magnetron reactivă în cc .……...........................................................................

..…………

119

-

CAPITOLUL 5

5. Cercetări experimentale privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri tribologice, nanometrice şi complexe, cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate ……………………………………………………………...

….………...

121

25

5.1. Straturi tribologice pe bază de carbură de wolfram (WC), cu compoziŃie binară (W-C), ternară (W-C-N; W-C-Ti) şi cuaternară (W-C-

Ti-N), obŃinute prin pulverizare magnetron standard sau de tip reactiv, din

Ńinte de pulverizare comerciale din WC dopate cu N2 şi/ sau Ti …….……..…

……………

120

25

5.1.1. Parametrii tehnologici de realizare a structurilor binare, ternare şi

cuaternare pe bază de WC şi caracteristicile morfologice ale acestora,

evaluate prin AFM ……….................................................................….

..…………..

120

25

5.1.2. Realizarea si caracterizarea din punct de vedere morfologic, electric si

de rezistenŃă la coroziune a straturilor subŃiri tribologice, complexe,

ternare (W-C-Ti) şi cuaternare (W-C-Ti-N), realizate prin pulverizare

magnetron, standard sau de tip reactiv, din 2 Ńinte de pulverizare (WC

si Ti) ……………....................................................................................

……………

128

-

5.1.2.1. Parametri tehnologici de realizare a straturilor tribologice

ternare şi cuaternare, din Ńinte de pulverizare de WC şi Ti ……

….………...

129

-

5.1.2.2. Caracterizarea morfologică şi electrică a straturilor subŃiri

tribologice complexe, ternare (W-C-Ti) şi cuaternare (W-C-

Ti-N) pe bază de WC si Ti ………………….............................

……………

129

-

5.1.2.3. Caracterizarea comportării la coroziune a straturilor subŃiri

tribologice complexe, ternare (W-C-Ti) şi cuaternare (W-C-

Ti-N) pe bază de WC şi Ti …….................................................

..…………..

135

-

5.2. Realizarea şi caracterizarea din punct de vedere morfologic, structural,

compoziŃional, mecanic şi tribologic a straturilor subŃiri tribologice,

complexe, realizate prin pulverizare magnetron, standard sau de tip reactiv, din 3 materiale de bază (tinte de pulverizare): WC; TiB2 si Ti .........................

..…………..

137

27

5.2.1. Realizarea şi caracterizarea morfolgică şi compozitională a straturilor

tribologice cu compoziŃie pseudo-ternară constantă (Ti/TixNy;

TiB2/TixByNz; WC/ WxCyNz), respectiv cuaternară (Ti-B-W-C) si

pentanară (Ti-B-W-C-N), pornind de la 3 materiale de bază (tinte de

pulverizare): WC; TiB2 şi Ti ...................................................................

….………...

137

27

Page 5: REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate2015/MateescuAlice.pdf · rezumat tezĂ de doctorat cercetĂri privind realizarea Şi

Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)

cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

3 Cuprins

5.2.1.1. Parametri tehnologici de realizare a straturilor tribologice

cu compoziŃie pseudo-ternară constantă (respectiv cu

compoziŃie cuaternară şi pentanară) ...........................................

……………

137

27

5.2.1.2. Caracterizarea morfologică si compoziŃională a straturilor

tribologice cu compoziŃie pseudo-ternară constantă (respectiv

cu compoziŃie cuaternara şi pentanara) ....................................

……………

139

28

5.2.1.3. Concluzii asupra rezultatelor caracterizării morfologice si

compoziŃionale a probelor cu compoziŃie pseudo-ternară

constantă (respectiv cu compozitie cuaternară şi

pentanară) …….….....................................................................

….………...

146

-

5.2.1.4. Caracterizarea mecanică şi tribologică a straturilor

tribologice cu compoziŃie pseudo-ternară constantă

(respectiv cu compoziŃie cuaternară şi pentanară) ………....

….………...

147

30

A. Determinarea durităŃii prin indentare (amprentare), folosind

nanoindentarea AFM ....................................................................... B. Determinarea durităŃii prin indentare, folosind trusa CSM din

UTBv ...............................................................................................

C. Determinarea aderenŃei (sarcina critică) prin testul de zgâriere

(Scratch test) ....................................................................................

D. Determinarea coeficientului de frecare prin metoda tribometrului

….………...

……………

……………

..…………..

147

150

150

155

-

30

30

31

5.2.1.5. Concluzii asupra rezultatelor caracterizării mecanice şi

tribologice a probelor cu compoziŃie pseudo-ternară

(respectiv cu compoziŃie cuaternară si pentanară) constantă

……………

155

31

5.2.2. Realizarea şi caracterizarea morfolgică, compozitională, mecanică şi

tribologică a straturilor tribologice cu grosime mărită şi compoziŃie

pseudo-ternară constantă (respectiv cu compoziŃie cuaternară şi

pentanară), pornind de la 3 materiale de bază: WC; TiB2 si Ti …….…

……………

157

32

5.2.2.1. Parametrii tehnologici de realizare a probelor…........................

5.2.2.2. Determinarea compoziŃiei şi grosimii probelor prin RBS ..…

5.2.2.3. Determinarea morfologiei suprafeŃei şi a structurii straturilor

depuse prin analiza AFM ...........................................................

……………

..…………..

……………

157

158

159

32

33

33

5.2.2.4. Determinarea caracteristicilor mecanice (duritate si modul de

elasticitate- prin nanoindentare şi sarcină critică de

aderenŃă- prin zgâriere) şi tribologice (coeficient de

frecare şi de uzura) ale probelor …………..….………………

……………

161

33

5.2.3. Realizarea si caracterizarea topografică, compoziŃională, mecanică şi

tribologică, a straturilor tribologice cu compoziŃie pseudo-ternară (TixNy+TixByNz + WxCyNz), respectiv cu compoziŃie pentanară (W-C-

Ti-B-N) modulată, pornind de la 3 materiale de bază: WC; TiB2 si Ti

..……..……

165

36

5.3. Realizarea şi caracterizarea din punct de vedere morfologic, structural,

compoziŃional şi mecanic a straturilor subŃiri tribologice, complexe cu

compoziŃie pseudo-cuaternară (Ti/TixNy; TiB2/TixByNz; WC/WxCyNz;

WS2/WxSyCz), respectiv cu compoziŃie pentanară (Ti-W-C-B-S) si sixnară (Ti-

W-C-B-S-N), realizate prin pulverizare magnetron, standard/ reactiv, din 4

materiale de bază: WC; TiB2; Ti; WS2 ........................... .................................

..…..………

173

39

5.3.1 Parametrii de proces pentru realizarea acoperirilor tribologice ……...... ...…………. 173 39

5.3.2 Determinarea durităŃii (H) si a modululului de elasticitate (E) prin

indentare ……………......………………………………………………

..…………..

174

40

5.3.3. Determinarea aderenŃei (sarcinilor critice) prin testul de zgâriere …….. …………… 175 40

5.3.4. Determinarea coeficientului de frecare prin metoda tribometrului Ball-

on-disc ………………………….…........................................................

..…………..

177

41

5.3.5. Concluzii privind: duritatea, tenacitatea, aderenŃa şi coeficientul de

frecare la probele analizate (39, 42 şi 40) ...............................................

……………

178

41

5.4. Concluzii generale privind caracteristicile funcŃionale (mecanice si

tribologice) ale straturilor subŃiri tribologice pseudo-ternare/ cuaternare, studiate în această lucrare ………......................................................................

..……..……

180

43

CAPITOLUL 6

6 ContribuŃii originale şi concluzii …………………………………………………. ..………… 185 45

Page 6: REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate2015/MateescuAlice.pdf · rezumat tezĂ de doctorat cercetĂri privind realizarea Şi

Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)

cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

4 Cuprins

6.1. ContribuŃii teoretice şi practice originale ale tezei de doctorat la domeniul

straturilor subŃiri nanometrice, cu aplicaŃii in tehnologia materialelor avansate

……….…...

185

45

6.2. Exemple concrete de contribuŃii originale ale autoarei tezei la domeniul straturilor subŃiri nanometrice, cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

..……..……

191

47

6.2.1. Lista brevetelor de invenŃie şi a cererilor de brevet de invenŃie din

domeniul tezei de doctorat ......................................................................

.………...…

192

48

6.2.2. Lista articolelor din domeniul tezei de doctorat publicate în reviste cotate ISI .................................................................................................

..……..……

194

48

6.2.3. Lista lucrărilor din domeniul tezei de doctorat prezentate la conferinŃe

internaŃionale ...........................................................................................

..……..……

195

49

6.2.4. Diplome şi medalii obŃinute la competiŃii internaŃionale de brevete, din

domeniul tezei de doctorat .....................................................................

..……..……

196

50

6.2.5. Fragment din posterul de prezentare a celor 2 brevete de invenŃie

medaliate la Salonul International de Inventica PROINVENT, EdiŃia a

XII-a, 2014, Cluj-Napoca, România .......................................................

..……..……

199

-

BIBLIOGRAFIE

203 51

ANEXE -

Anexa 0.1. Tabelul Periodic al Elementelor Chimice ............................................... ..…..……… 219 -

Anexa 0.2. Exemple cu diagrame de echilibru de faze binare în soluŃii solide/

aliaje. Transformarea unei diagrame de fază ternară a unei soluŃii solide într-o

diagramă de fază pseudo-binară, la crearea unui compus chimic ..............................

…..………

210

-

Anexa 0.3. Scala lucrurilor şi dimensiunea atomilor elementelor chimice ………... ...….……… 214 -

Anexa 1.1. Rezumatul Brevetului de invenŃie nr. 117622 B/30.05.202 denumit

Dispozitiv de pulverizare catodică tip magnetron circular .………………………...

..…………..

216

-

Anexa 2.1. Parametrii de amplitudine (sau de înălŃime) care definesc rugozitatea

suprafeŃei, ce pot fi evaluaŃi prin Microscopie de forŃă atomică ……………………

..……......

217

-

Anexa 2.2. Definirea noŃiunii de „lărgime maximă a jumătăŃii maximului picului/

vârfului” ..............................................................................................……........……

..…………..

221

-

Anexa 2.3. Impachetarea compactă a atomilor elementelor chimice din TPE pentru

realizarea structurilor cristaline ale acestora ..............................................................

..…………..

223

-

Anexa 2.4. NoŃiuni generale privind frecarea în domeniul microtribologiei ........... …………… 226 -

Lista figurilor din teză …………………………………..……….............................. ..………… 233 -

Lista tabelelor din teză ………………………………..…………............................. …………… 238 -

Lista abrevierilor din teza ........................................................................................... …………… 240 -

Rezumat ……………………………………………..……………............................ ..………… 241 53

Curriculum Vitae …………………………………………………............................ …………… 243 54

DeclaraŃie de autenticitate .......................................................................................... …………… 245 -

Page 7: REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate2015/MateescuAlice.pdf · rezumat tezĂ de doctorat cercetĂri privind realizarea Şi

Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)

cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

5 Table of contents

Table of contents

Pagina Teză Rezumat

Table of contents ………………………………………………………………..... ….………... 1 1

Introductive word …………………………………………………………………

Acknowledgements ……………………………………………………….............

……………

……………

7

8

9

10

0 INTRODUCTION

0.1. Goal of the PhD thesis…………………......…………..............................… ……..…….. 9 11

0.2. Motivation, novelty and importance of the research theme ….….................. ……..…….. 9 11

0.3. Introduction in the topic of the PhD thesis ……………..…....................... ……..…….. 10 11

Basic notions used in structural and compositional characterization of the

complex and nanostructured thin films: thin film, structural entities,

nanostructured materials, phase diagrams ..................................................…

12

-

0.4. Nanostructured thin films. Classification of the nanostructured materials .... .…………... 20 -

CHAPTER 1

1. Researches actual steady regarding achievement and characterization of the tribological thin films with complex composition and nanometric structure ….

……..……..

23

13

1.1. Actual steady and tendencies in achievement of the tribological coatings …… …………… 23 13

1.1.1. General notions ……………………………………........................... ………..….. 23 13

1.1.2. Penning cathodes for sputtering (magnetrons) and magnetron

sputtering systems …………………................................................…

……………

30

14

1.1.3. Evolution of the technologies for tribological thin films achievement …………… 34 14

1.2. Actual steady and tendencies in characterization of the trobological coatings …………… 40 -

1.2.1. Thin films characterization. Generalities ................................................. ..………….. 40 -

1.2.2. Classification of the essential properties of the tribological thin films ... …………… 42 -

1.3. Objectives of the research in the frame of the PhD thesis ………………….… …………… 44 15

CHAPTER 2

2. General technical data regarding methods, equipments and materials, used for achievement and characterization of the tribological thin films .................

…….……

47

17

2.1. Multifunctional System for Vacuum Thin Film Deposition (IM-DSSV) used

for samples achievement ……………................................................................

……………

47

17

2.2. Atomic force microscopy (AFM) used for evaluation of the roughness and

grain size of the thin films ……………………………...................................

……….…

56

13

22.3. Rutherford Backscattering Spectrometry used for composition and thickness

evaluation of the thin films …………………………………………………...

…..…….…

61

18

2.4. Indention method used for mechanical characteristics evaluation (hardness

and elasticity modulus) of the materials ...........................................................

…....………

64

18

2.5. Scratch test method used for mechanical characteristics evaluation of the

tribological thin films ………………………………….…..................………

…..…..……

70

19

2.6. Wear and coefficient of friction evaluation for friction couples with pin/ball-

on-disc tribometer ………………………………….………………........……

….....……...

74

20

2.7. Other equipments used for characterization of the samples ............................. ….....……... 76 20

2.8.

Technical data existent in the specialized literature regarding the interested

materials for achievement of the tribological coatings by Magnetron

Sputtering …………........................................................................................

..……..……

77

-

2.9.

Technical data existent in the specialized literature regarding sputtering

efficiency and deposition rate for the materials used in thin films deposition.

..………..…

79

-

2.10 Technical data and essential physical-mechanical properties of the basic

materials, presented in the patents of the author of this work and selected in

order to be used for achievement of the tribological coatings, (WS2; Graphite;

WC and TiB2) ………………………................................................................

….….……..

82

-

2.10.1. Technical data for tungsten disulphide ................................................. …..……….. 82 -

2.10.2. Technical data for carbon/graphite ........................................................ ……..…….. 92 -

2.10.3. Technical data for tungsten carbide ....................................................... …..……….. 100 -

2.10.4. Technical data for titanium diboride ……............................................. ………..….. 103 -

Page 8: REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate2015/MateescuAlice.pdf · rezumat tezĂ de doctorat cercetĂri privind realizarea Şi

Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)

cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

6 Table of contents

CAPITOLUL 3

3. Experimental researches for evaluation of the technical capabilities of the deposition vacuum system used for achievement of the tribological coatings ....

.…………...

105

21

3.1. Pumping time, ultimate pressure and vacuum leak.

of the technological chamber…………...….......................................................

.…………...

105

21

3.2. Technological experiments for establishment of the variation range of the

equilibrium pressures in the technological space, function of the introduced

gas flow (argon and nitrogen) ……………...………………........................…

.…...………

108

-

3.3. Theoretical and practical working range of the magnetrons ..………………... .…………... 110 22

CAPITOLUL 4

4. Experimental researches for establishment of the deposition rates of materials used for achievement of tribological coatings ...................... ……………….........

.…..……….

111

23

4.1. Technological date for deposition of Ti, W, TiB2 and WC …............................…..……….. 111 24

4.2. Technological experiments for establishment of the variation range of the

working pressures and deposition rates for the following simple elements: Ti;

Al; C; used for obtaining of dry lubricant thin films by standard magnetron

sputtering in DC ……………...…..................................................................…

....…………

114

-

4.3. Technological parameters of deposition of metallic nitrides of Ti and Al

(TiN; AlN) used for obtaining of tribological coatings, by reactive magnetron

sputtering in D.C. ……....……...........................................................................

..…………

119

-

CHAPTER 5

5. Experimental researches regarding achievement and characterization of the nanometric and complex tribological thin films, with application in advanced materiasl technology …………………………………………………...

….………...

121

25

5.1. Tribological layers based on tungsten carbide (WC), with bynary (W-C),

ternary (W-C-N; W-C-Ti) and quaternary (W-C-Ti-N) composition, obtained

by standard or reactive magnetron, from WC commercially, dopped with N2

and/ or Ti targets ……………….…………………………………………...…

……………

120

25

5.1.1. Technological parameters for achievement of the binary, ternary,

quaternary structures based on WC and evaluation of their

morphological characteristics by AFM ………..................................….

..…………..

120

25

5.1.2. Achievement and characterization from morphological, electrical

corrosion resistance point of view of the complex, tribological thin

films with ternary (W-C-Ti) and quaternary (W-C-Ti-N) composition,

obtained by standard or reactive magnetron sputtering, from 2

sputtering targets (WC and Ti) ...............................................................

……………

128

-

5.1.2.1. Technological parameters for achievement of the ternary and

quaternary tribological coatings, from WC and Ti sputtering

targets ………………………………………………………….

….………...

129

-

5.1.2.2. Morphological and electrical characterization of the, ternary

(W-C-Ti) and quaternary (W-C- Ti-N) complex tribological thin

films, based on WC and Ti …...................................................

……………

129

-

5.1.2.3. Corrosion resistance characterization of the, ternary

(W-C-Ti) and quaternary (W-C- Ti-N) complex tribological

thin films, based on WC and Ti ..............................................

..…………..

135

-

5.2. Achievement and morphological, structural, compositional, mechanical and

tribological characterization of the complex, tribological thin films, obtained

by standard or reactive magnetron sputtering, from 3 materials (sputtering

targets): WC; TiB2 andTi ................................................................

..…………..

137

27

5.2.1. Achievement and morphological and compositional characterization of

the tribological thin films with constant pseudo-ternary composition

(Ti/TixNy; TiB2/TixByNz; WC/ WxCyN), respectively with quaternary (Ti-

B-W-C) and pentanary (Ti-B-W-C-N) composition, starting from 3

materials (sputtering targets): WC; TiB2 and Ti

......................................................................................................

….………...

137

27

Page 9: REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate2015/MateescuAlice.pdf · rezumat tezĂ de doctorat cercetĂri privind realizarea Şi

Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)

cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

7 Table of contents

5.2.1.1. Technological parameters for achievement of the tribological

coatings with constant pseudo-ternary composition

(respectively with quaternary and pentanary composition) ......

……………

137

27

5.2.1.2. Morphological and compositional characterization of the

tribological coatings with constant pseudo-ternary composition

(respectively with quaternary and pentanary composition) .......

……………

139

28

5.2.1.3. Conclusions regarding the results of the morphological and

compositional characterization of the samples with constant

pseudo-ternary composition (respectively with quaternary and

pentanary composition) …..........................................................

….………...

146

-

5.2.1.4. Mechanical and tribological characterization of the

tribological coatings with constant pseudo-ternary composition

(respectively with quaternary and pentanary composition) ….....

….……….

147

30

A. Evaluation of hardness by indentation, using AFM

nanoindentation ……………………………………………………

B. Evaluation of hardness by indentation, using CSM table platform

from UTBv ......................................................................................

C. Evaluation of adherence (critical load) by Scratch test ...................

D. Evaluation of coefficient of friction by tribometer method ………

….………...

……………

..…………..

……………

147

150

150

155

-

30

30

31

5.2.1.5. Conclusions regarding the mechanical and tribological

characterization results of the samples with constant pseudo-

ternary composition (respectively with quaternary and

pentanary composition)……………………………………….

……………

155

31

5.2.2. Achievement and morphological, compositional, mechanical and

tribological characterization of the tribological coatings with increased

thichness and constant pseudo-ternary composition (respectively with

quaternary and pentanary composition), starting from 3 materials:

WC; TiB2 andTi ……………………………………………………..…

……………

157

32

5.2.2.1. Technological parameters for samples achievement …………

5.2.2.2. Evaluation of the thickness and composition of the sample by

RBS ……………………………………………………………

5.2.2.3. Evaluation of the surface morphology and structure of the

deposited samples by AFM analysis ….……………………....

……………

..…………..

……………

157

158

159

32

33

33

5.2.2.4. Evaluation of mechanical (hardness and

elasticity modulus – by nonoindentation and critical

load of adherence – by scratch test) and tribological

(coefficient of friction and wear) characteristics of the samples

……………

161

33

5.2.3. Achievement and topographical, compositional, mechanical and

tribological characterization of the tribological thin films with pseudo-

ternary (TixNy+TixByNz + WxCyNz), respectively with pentnary (W-C-

Ti-B-N) modulated composition, starting from 3 base materials: WC;

TiB2 and Ti ……………………………………………………………

..……..……

165

36

5.3. Achievement and morphological, structural, compositional and mechanical

characterization of the omplex tribological thin films, with pseudo-quaternary

(Ti/TixNy; TiB2/TixByNz; WC/WxCyNz; WS2/WxSyCz), respectively with

pentnary (Ti-W-C-B-S) and sixnary (Ti-W-C-B-S-N) composition, obtained by

standard/ reactive magnetron sputtering , from 4 base materials: WC; TiB2;

Ti; WS2 .............................................................................................................

..…..………

173

39

5.3.1 Process parameters for achievement of the tribological coatings …....... ...…………. 173 39

5.3.2 Evaluation of hardness (H) and elasticity modulus (E) by indentation

test …… ……………......………………………………………………

..…………..

174

40

5.3.3. Evaluation of adherence (critical loads) by scratch test ……………….. …………… 175 40

5.3.4. Evaluation of coefficient of friction by Ball-on-disc test ….................. ..………….. 177 41

5.3.5. Conclusions regarding: hardness, tenacity, adherence, and coefficient

of friction for the samples (39, 42 şi 40) .................................................

……………

178

41

5.4. General conclusions regarding functional (mechanical and tribological)

characteristics of the pseudo-ternary/ quaternary thin films, studied in this

PhD thesis ………………………......................................................................

..……..……

180

43

CHAPTER 6

Page 10: REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate2015/MateescuAlice.pdf · rezumat tezĂ de doctorat cercetĂri privind realizarea Şi

Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)

cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

8 Table of contents

6 Original contributions and conclusions…………………………………………. ..………… 185 45

6.1. Original theoretical and practical contributions of the PhD thesis to the field

of nanometric thin films, with applications in advanced materials technology

……….…...

185

45

6.2. Real examples of original contributions of the author of this PhD thesis

to the field of nanometric thin films, with applications in

advanced materials technology ………………………………………………...

..……..……

191

47

6.2.1. List of patents and patent applications in the field of the PhD thesis …. .………...… 192 48

6.2.2. List of the ISI publications in the field of the PhD thesis ……............... ..……..…… 194 48

6.2.3. List of the works presented at international conferences

in the field of the PhD thesis ………......................................................

..……..……

195

49

6.2.4. Diplomas and medals obtained at international competitions

for inventions in the field of the PhD thesis ……..................................

..……..……

196

50

6.2.5. Part of the poster for presentation of the 2 patents, awarded at the

International Salon for Invention PROINVENT, XII Edition, 2014,

Cluj-Napoca, România ............................................................................

..……..……

199

-

BIBLIOGRAPHY

203 51

ANNEXES -

Annex 0.1. Periodic Table of Chemical Elements … ............................................... ..…..……… 219 -

Annex 0.2. Exemplas with binary phase diagrams of equilibrium in solid solutions/

alloys. Conversion of a ternary phase diagram of a solid solution in a pseudo-

binary phase diagram when creating a chemical compound ……..............................

…..………

210

-

Annex 0.3. The scale of things and the dimension of the chemical elements atom... ...….……… 214 -

Annex 1.1. Summary of the Patent no. 117622 B/30.05.202, Device for cathodic

sputtering of circular magnetron type …………………….………………………...

..…………..

216

-

Annex 2.1. Amplitude (height) parameters that define surface roughness and can

be evaluated by atomic force microscopy …………………….……………………. ..……......

217

-

Annex 2.2. Definition of “Full Width at Half Maximum” ………………………… ..………….. 221 -

Anexa 2.3. Compact oaccking of the atoms of the chemical elements from the

from the Periodic Table of Chemical Elements for achievement of their crystalline

structures …………………………………….............................................................

..…………..

223

-

Anexa 2.4. Generalities regarding friction in the microtribology field ……........... …………… 226 -

List of figures ……..…………………………………..……….............................. ..………… 233 -

List of tables ……...… ………………………………..…………............................. …………… 238 -

List of abreviations ……. ........................................................................................... …………… 240 -

Summary…………………………………………..……………............................ ..………… 241 53

Curriculum Vitae …………………………………………………............................ …………… 243 54

Declaration of authenticity.......................................................................................... …………… 245 -

Page 11: REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate2015/MateescuAlice.pdf · rezumat tezĂ de doctorat cercetĂri privind realizarea Şi

Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZA DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)

cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

9

Cuvânt introductiv

Lucrarea “CERCETĂRI PRIVIND REALIZAREA ŞI CARACTERIZAREA

STRATURILOR SUBłIRI (NANOMETRICE) CU APLICAłII ÎN TEHNOLOGIA

MATERIALELOR AVANSATE” are ca bază de pornire o sinteza originală a cunoştiinŃelor

teoretice şi practice existente astăzi în domeniul realizării straturilor subŃiri depuse în vid (cu

structură nanometrică, obŃinute prin metoda pulverizării catodice tip magnetron) şi a

caracterizării morfologice, compoziŃionale şi funcŃionale a straturilor subŃiri tribologice

obŃinute prin acelaşi procedeu, bazã de pornire care a permis definirea unor obiective de

cecetare care s-au concretizat în final cu implementarea în domeniu a unor contribuŃii

originale privind realizarea de acoperiri tribologice cu noi structuri si noi compoziŃii

(contribuŃii atestate de cele 5 brevete de invenŃie acordate de OSIM în perioada 2013-2014)

şi de cele 2 cereri de brevet de invenŃie depuse la OSIM în 2012 acceptate de acesta şi aflate

în stadiul final de evaluare). Lucrarea are un pronunŃat caracter experimental şi conŃine o

Introducere (ce cuprinde: motivaŃia, noutatea, actualitatea şi importanŃa temei, cu

încadrarea acesteia în contextul cercetărilor la nivel naŃional şi internaŃional precum şi

scopul cercetării) şi 6 capitole, cu următoarele titluri:

Capitolul 1. Stadiul actual al cercetărilor privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri

cu compozŃie complexă şi structură nanometrică;

Capitolul 2. Date tehnice generale privind metodele, echipamentele şi materialele utilizate la

realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri tribologice;

Capitolul 3. Cercetări experimentale pentru evaluarea capabilităŃilor tehnice ale instalaŃiei

utilizată la realizarea acoperirilor tribologice;

Capitolul 4. Cercetări experimentale pentru determinarea ratelor de depunere prin pulverizare

magnetron ale materialelor de interes la realizarea acoperirilor tribologice;

Capitolul 5. Cercetări experimentale privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri

tribolgice, nanometrice şi complexe, cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate;

Capitolul 6. ContribuŃii originale si concluzii, aduse de autor la realizarea straturilor subŃiri

tribologice.

Originalitatea contribuŃiilor cuprinse în lucrare este susŃinută, aşa cum s-a precizat anterior de:

- 5 brevete de invenŃie acordate de OSIM (1 în 2013 şi 4 în 2014) la care Alice-Ortansa

Mateescu este coautor şi 2 cereri de brevet de invenŃie, depuse la OSIM în 2012;

- 7 articole publicate in reviste cotate ISI şi 8 prezentări susŃinute la conferinŃe

internaŃionale din domeniu.

Page 12: REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate2015/MateescuAlice.pdf · rezumat tezĂ de doctorat cercetĂri privind realizarea Şi

Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZA DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)

cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

10

MULłUMIRI

Domnului Prof. Univ. Dr. Ing. Cornel Samoilă - conducatorul tezei de doctorat Stimă şi alese mulŃumiri pentru sprijinul moral şi ştiinŃific acordat pe toată durata de desfăşurare a studiilor doctorale şi de elaborare a lucrării, pentru încrederea acordată, pentru bunăvoinŃă şi înŃelegere.

Colectivului de la Universitatea Transilvania din Braşov format din: Prof. Dr. Doru UrsuŃiu, Prof. Dr. Daniel Munteanu; Dr. Dan Cristiea; Dr. Vlad Jinga şi Dr. Victor Nascov Sincere mulŃumiri pentru implicarea activă în caracterizarea mecanică, electrică, anticorozivă şi tribologică a straturilor subŃiri realizate în această lucrare şi finalizate prin lucrări ştiinŃifice publicate în reviste cotate ISI şi prezentate la conferinŃe internaŃionale.

Colectivului de la Institutul NaŃional de C-D pentru Fizica si Inginerie Nucleară (IFIN-HH), format din: Dr. ing. Gheorghe Mateescu; Dr. Liviu Crăciun; Dr. Ion Burducea si Dr. Cristina Ionescu. Calde mulŃumiri pentru implicarea activă în realizarea şi caracterizarea morfologică şi compoziŃională a straturilor subŃiri realizate în această lucrare şi finalizate prin lucrări ştiinŃifice publicate în reviste cotate ISI şi prezentate la conferinŃe internaŃionale. Şefului Departamentului de Fizică Hadronică (DFH) din IFIN-HH, Prof. Dr. Mihai Petrovici. Stimă şi calde mulŃumiri pentru că a asigurat fondurile necesare pentru achiziŃia instalaŃiei multifuncŃionale pentru depunerea straturilor subŃiri în vid prin pulverzare magnetron, prin proiectul pe care l-a coordonat (CEXMECDIF - Centru de cercetare de excelenŃă pentru calcul distribuit, metodică, fizică şi participare în mari colaborări internaŃionale), în cadrul proiectului de “capacităŃi mari” din IFIN-HH (DEZVOLTAREA INFRASTRUCTURII PENTRU CERCETĂRI DE FRONTIERĂ ÎN FIZICA NUCLEARĂ ŞI DOMENII CONEXE-http://proiecte.nipne.ro/pn2-capacitati_mari/), ce a permis realizarea acestei lucrări. Colectivului de la Universitatea din Bucuresti (UB) - Facultatea de Fizică, format din Prof. Dr. Ioan Stamatin si Dr. Adriana Bălan Sincere şi calde mulŃumiri pentru implicarea activă in caracterizarea morfologică, anticorozivă şi electrică a straturilor subŃiri tribologice pe baza de WC şi finalizate prin lucrări ştiinŃifice publicate în reviste cotate ISI şi prezentate la conferinŃe internaŃionale. Familiei mele cu multă dragoste şi recunoştinŃă! MulŃumesc încă o dată tuturor celor care au fost alături de mine şi care au contribuit, mai mult sau mai puŃin, la finalizarea acestei lucrări. Alice-Ortansa Mateescu

Page 13: REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate2015/MateescuAlice.pdf · rezumat tezĂ de doctorat cercetĂri privind realizarea Şi

Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)

cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

11

Introducere

INTRODUCERE

0.1.Scopul tezei de doctorat

Scopul tezei îl constituie realizarea de cercetări experimentale de pionierat în vederea:

1. stabilirii parametrilor de proces pentru realizarea acoperirilor tribologice complexe

prin pulverizare magnetron standard sau reactiv (folosind N2 drept gaz reactiv), în cc

sau RF, pornind de la următoarele materiale (Ńinte de pulverizare): Ti; WC; TiB2 şi

WS2 şi de la cerinŃele impuse acoperirilor tribologice prin Brevetele de InvenŃie

obŃinute în acest domeniu de autoarea acestei teze.

2. caracterizării morfologice şi structurale a straturilor depuse, folosind Microscopia de

forŃă atomică (Atomic Force Microscopy/ AFM) şi Spectrometria de retroîmpraştiere

Rutherford (Rutherford Backscattering Spectrometry/ RBS), precum şi caracterizarea

funcŃională (mecanică, tribologică şi anticorozivă) folosind metodele de: Indentare,

pentru determinarea durităŃii (Hardness Test Method); Zgâriere (Scrach Test Method),

Uzură şi frecare (Pin-on-Disk Tribometer Method) şi RezistenŃa la coroziune

(Corrosion Cell Method).

3. iniŃierii unei direcŃii noi de cercetare în domeniul straturilor subŃiri tribologice.

0.2. MotivaŃia, noutatea şi importanŃa temei de cercetare

Teza se înscrie în domeniul cercetărilor aplicative şi se regăseşte în programele

Uniunii Europene aflate în derulare, precum: M-ERA.NET (în subdomeniul “Materials with

new surfaces and coatings”), HORIZON 2020 (în subdomeniul tehnologiilor generice şi

industriale pentru realizarea de noi materiale şi noi tehnologii de fabricaŃie, cum ar fi de

exemplu domeniul nanotehnologiilor), etc. Cercetările de top din domeniul acoperirilor

tribologice la nivel European şi internaŃional sunt orientate în prezent spre: dezvoltarea de noi

metode de acoperire, utilizarea de noi materiale, realizarea de noi structuri de straturi subŃiri.

Straturi tribologice complexe cu structura şi compoziŃia celor prezentate în teză (din 3 sau 4

materiale sub formă de strat unic sau multistrat şi compoziŃie constantă sau variabilă de tip

modulat) nu se găsesc publicate în literatura de specialitate.

0.3. Introducere în tematica tezei de cercetare

Una dintre aplicaŃiile majore şi cu eficienŃă economică crescută a straturilor subŃiri în

tehnologia materialelor avansate o constituie realizarea acoperirilor tribologice, adică a

acoperirilor de tip strat subŃire (grosime < 10 µm) care asigură cuplelor de frecare o durată de

viaŃă crescută, dată de o uzură cât mai mică şi un coeficient de frecare cât mai redus.

Page 14: REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate2015/MateescuAlice.pdf · rezumat tezĂ de doctorat cercetĂri privind realizarea Şi

Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)

cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

12 Introducere

Pentru procesele de transfer de putere în sistemele mecanice ale echipamentelor

(instalaŃiilor) terestre şi aerospaŃiale (din industria: militară, energetică, auto, aviatică,

aerospaŃială, etc.) nimic nu funcŃionează fără frecare şi problema esenŃială a tuturor

sistemelor mecanice (cuplelor de frecare) care generează zgomote, caldură excesivă, şi

deteriorarea lor prematură în urma uzurii din timpul funcŃionării este frecarea, caracterizată

cantitativ de coeficientul de frecare (dinamic şi static). Se estimează că pierderile de energie

datorate frecării în Ńările industrializate sunt între 5 şi 7% din Produsul Intern Brut al acestora

[1], iar circa 1/3 ... 1/2 din totalul energiei produse în lume se consumă prin frecare [2].

Practica a demonstrat că frecarea este pricipala cauză a: reducerii performanŃelor;

creşterii consumului energetic; creşterii costurilor de mentenanŃă; deteriorării ca urmare a

uzurii; scurtării vieŃii sau distrugerii catastrofice, pentru mecanismele terestre şi aerospaŃiale.

Pentru a reduce uzura sistemelor mecanice, prin reducerea coeficientului de

frecare al acestora, s-au folosit şi încă se utilizează pe scară largă lubrifianŃi fluizi

specializaŃi, deoarece în sistemele mecanice clasice lubrifierea este indispensabilă pentru

obŃinerea unei frecări reduse între două suprafeŃe aflate în mişcare.

În ultima perioadă însă, pentru medii speciale (cu vid înaintat şi ultraînaintat şi

temperaturi extreme şi variabile), în care utilizarea lubrifianŃilor lichizi este dificilă, s-au

dezvoltat acoperirile tribologice cu straturi lubrifiante uscate („Dry Lubricant Coatings”

cu uzură redusă şi coeficienŃi de frecare reduşi) obŃinute în atmosferă deschisă din micro şi

nano pulberi, prin metode clasice (dipping, burnishing, spray-ere) sau în vid, prin metode

fizice de depunere din vapori (Physical Vapour Deposition Methods/ PVD-M).

Pentru realizarea acoperirilor tribologice (probelor) necesare la această cercetare s-a

utilizat o metodă de depunere a straturilor subŃiri în vid tip PVD şi anume pulverizarea tip

magnetron standard/ reactiv, în cc şi RF.

Mediul de lucru constituie unul dintre factorii de bază ai depunerii de straturi subŃiri,

deoarece acesta influenŃează în mod puternic compoziŃia şi structura peliculelor depuse,

precum şi temperatura şi cheltuielile energetice ale procesului.

Vidul, ca mediu de desfăşurare a procesului de depunere, asigură realizarea de pelicule

curate (cu impurificare redusă), reproductibile şi imposibil de obŃinut prin alte metode şi de

aceea metodele de depunere a straturilor subŃiri în vid au căpătat o dezvoltare explozivă.

Astăzi, cea mai mare parte a cercetărilor din domeniul acoperirilor tribologice, ce fac

şi obiectul tezei de doctorat, se face utilizând metodele de depunere în vid tip PVD, iar

pulverizarea de tip magnetron ocupă un loc de frunte.

Page 15: REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate2015/MateescuAlice.pdf · rezumat tezĂ de doctorat cercetĂri privind realizarea Şi

Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)

cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

13 CAPITOLUL 1: Stadiul actual al cercetărilor privind realizarea şi caracterizarea

straturilor subŃiri tribologice cu compoziŃie complexă şi structură nanometrică

CAPITOLUL 1

1. Stadiul actual al cercetărilor privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri tribologice cu compoziŃie complexă şi structură nanometrică

1.1. Stadiul actual şi tendinŃe în realizarea acoperirilor tribologice prin pulverizare magnetron

1.1.1. NoŃiuni generale

Ingineria suprafeŃei ce include la modul general tratamentele termice şi procesele de

acoperire este una dintre cele mai eficace şi flexibile soluŃii pentru rezolvarea problemelor

tribologice. În toate aplicaŃiile tribologice, utilizarea acoperirilor reprezintă o măsură eficientă

şi relativ economică de reducere a frecării şi de protecŃie a suprafeŃei substratului la uzură, dar

selectarea metodei de depunere potrivită şi a materialelor de depunere pentru o anumită

aplicaŃie tribologică este încă dificilă şi complicată, întrucât răspunsul tribologic al sistemului

faŃă de metoda de acoperire depinde de mai mulŃi factori, cum ar fi: caracteristicile mecanice

şi tribologice ale stratului de acoperire; proprietăŃile substratului şi a părŃii opuse acestuia şi

condiŃiile de lucru ale cuplei de frecare. Acoperirile tribologice trebuie să îmbunătăŃească

rezistenŃa la uzură a suprafeŃelor adică, să asigure extinderea duratei de viaŃă a cuplei de

frecare. În ultimele decenii au fost dezvoltate şi utilizate cu success în sistemele tribologice

numeroase metode de acoperire, în vederea reducerii frecării şi protecŃiei suprafeŃelor de

distrugeri. ObŃinerea de materiale noi şi complexe pentru realizarea acoperirilor tribologice se

face astăzi utilizând tehnologiile de depunere cu dezvoltare în vid sau în atmosfera deschisă.

Mediul de lucru are o influenŃă puternică asupra structurii şi compoziŃiei acoperirilor

precum şi asupra temperaturii şi costurilor energetice ale procesului. Vidul, ca mediu de

desfăşurare a proceselor de depunere tip PVD, asigură, prin tehnologiile nepoluante şi cu

costuri energetice scăzute, obŃinerea straturilor subŃiri curate, reproductibile, şi imposibil de

obŃinut prin alte metode clasice.

Metodele de depunere a straturilor subŃiri în vid conŃin o multitudine de procedee de

depunere, care Ńin cont numai de natura fenomenelor care au loc în procesul de depunere a

straturilor subŃiri în vid, proces ce poate avea trei etape distincte şi anume:

etapa de generare a materialului de depunere sub formă de vapori;

etapa de transport a materialului de depunere de la locul de generare la piesa de acoperit;

etapa de nucleaŃie (de creştere a peliculei).

Depunerile de straturi subŃiri în vid prin metode fizice se realizează în vid mediu (10-2

... 10-4

mbar), în vid înaintat (10-5

… 10-7 mbar), precum şi în vid ultraînaintat (sub 10

-7 mbar) şi de

Page 16: REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate2015/MateescuAlice.pdf · rezumat tezĂ de doctorat cercetĂri privind realizarea Şi

Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)

cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

CAPITOLUL 1: Stadiul actual al cercetărilor privind realizarea şi caracterizarea

straturilor subŃiri tribologice cu compoziŃie complexă şi structură nanometrică

14

aceea dezvoltarea lor este strâns legată de dezvoltarea componentelor şi echipamentelor

pentru realizarea vidului. Dezvoltarea explozivă a tehnologiilor de depunere a straturilor

subŃiri în vid a fost asigurată şi de dezvoltarea tehnicii vidului (componente şi echipamente de

vid). Pe lângă tehnologiile clasice de acoperire, se asistă în prezent la dezvoltarea,

perfecŃionarea şi extinderea tehnologiilor de depunere a straturilor subŃiri în vid, atât în

cercetare cât şi în producŃie. Pentru multe produse ce sunt acum pe piaŃă, metodele industriale

clasice de acoperire de protecŃie a metalelor (cum ar fi acoperirile electrochimice/ prin

imersie în topitură/ etc.) ineficiente şi poluante au fost înlocuite treptat de aplicaŃii directe ale

tehnologiilor straturilor subŃiri ce sunt tehnologii complet nepoluante.

Un avantaj esential a metodelor de depunere în vid de tip Physical Vapor Deposition

(PVD) îl reprezintă potenŃialul practic al acestora de a permite depunerea la toate materialele

cunoscute (chiar şi acelea cu temperatură de topire ridicată ce erau evitate prin procedeele

clasice) precum şi la multe combinaŃii ale acestora, ce dau posibilitatea obŃinerii de straturi

subŃiri cu proprietăŃi electrice, termice, conductive, rezistive, dielectrice, magnetice,

semiconductoare, supraconductoare, optice, biocompatibile, anticorozive, lubrifiante, de

durificare, etc., extrem de diferite.

1.1.2. Catozi Penning de pulverizare (magnetroane) şi sisteme de pulverizare magnetron

Magnetroanele sunt dispozitive speciale de pulverizare catodică tip diodă (deci cu

catod şi anod) prevăzute cu câmpuri electrice şi magnetice încrucişate şi cu o anumită

configuraŃie a electrozilor (anod şi catod) şi a sistemului magnetic, care să asigure o

capcană magnetică electronilor secundari, pentru intensificarea şi localizarea plasmei la

suprafaŃa Ńintei de pulverizare, în vederea creşterii ratei de pulverizare.

Procesul de confinare şi intensificare a plasmei, la suprafaŃa Ńintei de pulverizare, este

favorizat de configuratia liniilor de camp magnetic şi de electronii secundari (ejectaŃi din Ńintă

în urma bombardării acesteia cu ioni de Ar pozitivi) obligaŃi să execute deplasări după

traiectorii cicloidale, sub acŃiunea forŃei Lorentz.

1.1.3. Evolutia tehnologiilor de realizare a straturilor subŃiri tribologice, depuse în vid

Pulverizarea de tip magnetron este procedeul cel mai potrivit pentru depunerea

simultană/ succesivă, în concentraŃiile dorite şi cu o aderenŃă îmbunătăŃită la substrat a tuturor

materalelor metalice şi nemetalice (elemente chimice) din Tabelul Periodic al Elementelor

(TPE), precum şi a compuşilor chimici organici şi anorganici ai acestor elemente chimice care

pot fi manufacturate sub formă de Ńinte de pulverizare.

Page 17: REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate2015/MateescuAlice.pdf · rezumat tezĂ de doctorat cercetĂri privind realizarea Şi

Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)

cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

CAPITOLUL 1: Stadiul actual al cercetărilor privind realizarea şi caracterizarea

straturilor subŃiri tribologice cu compoziŃie complexă şi structură nanometrică

15

Pulverizarea magnetron cu ionizare (IMS = Ionised Magnetron Sputtering) este un

procedeu nou de pulverizare magnetron ce utilizează pentru producerea materialului ionizat

cu un magnetron clasic (Catod de pulverizare Penning) şi o sursă de putere în impuls (High

Power Impulse Magnetron Sputtering - HPIMS) care, datorită gradului foarte înalt de ionizare

a materialului de depunere asigură faŃă de pulverizarea magnetron standard, realizarea de

pelicule dense (fără porozitate) şi cu aderenŃă îmbunătăŃită la substrat [36; 37; 38; 39].

Prima generaŃie de acoperiri dure şi lubrifiante de tip PVD (cu: rezistenŃă crescută la

uzură şi coroziune; o reducere mică a coeficientului de frecare) a fost reprezentată de

nitrurile din metale, cum ar fi TiN, CrN, ZrN şi ZrCN.

A doua generaŃie de acoperiri de tip PVD s-a dezvoltat prin introducerea altor

elemente, precum: Al, Cr, C, Y în reŃeaua cristalină a TiN: TiAlN, TiCrN, TiCN, TiAlYN,

sau utilizând multistraturi, cum ar fi: TiN/TiAlN; TiN/TiCN, TiAlN/CrN, TiAlYN/VN, etc.

A treia generaŃie de acoperiri de tip PVD a apărut de curând şi este orientatã spre

diversificarea aplicaŃiilor straturilor subŃiri depuse în vid şi spre îmbunătăŃirea proprietãŃilor

funcŃionale a acestora prin: utilizarea celor mai noi si performante metode de depunere a

straturilor subŃiri în vid; utilizarea de noi materiale cu structuri şi compoziŃii complexe [36-

46] şi va fi dezvoltată şi prin această lucrare precum şi prin lucrări ştiinŃifice viitoare ale

autoarei tezei, ce vor urmări utilizarea acoperirilor de strat unic (monostrat) sau de straturi

multiple (multistraturi) cu structură şi compoziŃie complexă, realizate din materiale simple

(elemente chimice) şi compuse (compuşi chimici anorganici sau organici) cu proprietăŃi care

îndeplinesc cerinŃele din brevetele de invenŃie ale autoarei tezei.

1.3. Obiectivele cercetării din cadrul tezei de doctorat

Teza de doctorat se bazează pe cercetările experimentale efectuate în perioada

stagiului de doctorat cât şi pe cercetarea documentară efectuată de autoarea acestei teze de

doctorat atât înainte de demararea acestei lucrări ştiinŃifice (în cadrul colectivului de

cercetare-dezvoltare din IFIN-HH, din care face parte), cât şi în timpul stagiului de doctorat,

iar această activitate de cercetare a fost finalizată cu 5 brevete de invenŃie (la care Alice-

Ortansa Mateescu este coautor), acordate de OSIM (1 în 2013 şi 4 în 2014) şi 2 cereri de

brevet de invenŃie înregistrate la OSIM în 2012 şi aflate în stadiul final de evaluare.

În vederea atingerii scopului propus (definit in introducerea acestei lucrari) au fost

stabilite următoarele obiective ale cercetării:

Page 18: REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate2015/MateescuAlice.pdf · rezumat tezĂ de doctorat cercetĂri privind realizarea Şi

Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)

cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

CAPITOLUL 1: Stadiul actual al cercetărilor privind realizarea şi caracterizarea

straturilor subŃiri tribologice cu compoziŃie complexă şi structură nanometrică

16

1. Verificarea capabilităŃilor tehnice de realizare a acoperirilor tribologice prin

pulverizare magnetron standard/ reactiv în cc şi RF, folosind IM-DSSV din IFIN-HH.

2. Determinarea ratelor de depunere pentru materialele alese a fi utilizate: (Ti; C; WC şi

TiB2) la realizarea acoperirilor tribologice, date care nu se găsesc publicate în literatura

de specialitate.

3. Determinarea parametrilor de proces şi a caracteristicilor morfologice, structurale şi

funcŃionale ale acoperirilor tribologice cu structură binară, ternară şi cuaternară, pe

bază de carbură de wolfram (WC), N2 şi/ sau Ti.

4. Determinarea parametrilor de proces şi a caracteristicilor morfologice, structurale şi

funcŃionale ale acoperirilor tribologice cu compoziŃie pseudo-ternară constantă sau

modulată (TixNy; TiB2/TixByNz; C/WxCyNz), respectiv cuaternară (W-Ti-C-B) şi

pentanară (W-Ti-C-B-N), pornind de la 3 materiale de bază: Ti; WC şi TiB2.

5. Determinarea parametrilor de proces şi a caracteristicilor morfologice, structurale şi

funcŃionale ale acoperirilor tribologice cu compoziŃie pseudo-cuaternară constantă

sau modulată (Ti/TixNy; TiB2/TixByNz; WC/WxCyNz; WS2/WxSyCz), respectiv pentanară

(Ti-W-C-B-N) şi sixnară (Ti-W-C-B-S-N), pornind de la 4 materiale de bază (Ńinte de

pulverizare): Ti; WC, TiB2 şi WS2.

6. Concluzii privind noutăŃile, originalitatea şi eficienŃa tehnologiei utilizate în această

lucrare la realizarea acoperirilor tribologice şi previzionarea potenŃialului de

dezvoltare al acesteia.

Cercetările viitoare ale autoarei acestei teze de doctorat în acest domeniu vor fi în

concordanŃă cu cercetările de top la nivel european şi internaŃional şi vor fi orientate spre:

1. Utilizarea noilor metode şi procedee de tip PVD (Pulverizarea magnetron în impuls de

putere ridicată; Evaporarea cu arc catodic filtrat; AblaŃia laser în femtosecunde cu

impuls de putere ridicată; etc.) pentru îmbunătăŃirea proprietăŃilor acoperirilor tribologice,

precum: aderenŃa, porozitatea, duritatea, coeficientul de frecare, etc;

2. Utilizarea de noi materiale sau de noi combinaŃii de materiale în vederea îmbunătăŃirii

proprietăŃilor tribologice ale acoperirilor;

3. Realizarea de noi acoperiri tribologice nano-structurate (cu nanostructură normală pentru

10 nm < grosimea stratului < 100 nm; cu structură superlattice pentru 2nm < grosimea

stratului < 10 nm) cu proprietăŃi mecanice şi tribologice mai bune (coeficient de frecare,

duritate, coroziune şi rezistenŃă termică).

4. Realizarea de noi acoperiri cu compoziŃie/ structură graduală cu proprietăŃi tribologice

îmbunătăŃite (ce urmează a fi dezvoltate în cercetarile viitoare).

Page 19: REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate2015/MateescuAlice.pdf · rezumat tezĂ de doctorat cercetĂri privind realizarea Şi

Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)

cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

17 CAPITOLUL 2: Date tehnice generale privind metodele, echipamentele şi materialele,

utilizate la realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri tribologice

CAPITOLUL 2

2. Date tehnice generale privind metodele, echipamentele şi materialele, utilizate la realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri tribologice

2.1. InstalaŃia MultifuncŃională de Depunere a Straturilor SubŃiri în Vid (IM-DSSV)

utilizată la realizarea probelor Pentru realizarea straturilor subŃiri s-a folosit metoda pulverizării catodice tip

magnetron şi s-a utilizat InstalaŃia MultifuncŃională de Depunere a Straturilor SubŃiri în

Vid (IM-DSSV), existentă în IFIN-HH şi redată în Figura 2.1, instalaŃie ce a fost realizată şi

achizitionată pe baza unui Caiet de Sarcini întocmit de autoarea tezei de doctorat [64, 65].

.

Figura 2.1. InstalaŃia MultifuncŃională de Depunere a Straturilor SubŃiri în Vid (IM-DSSV)

2.2.. Microscopia de forŃă atomică (Atomic Force Microscopy – AFM) utilizată la evaluarea rugozităŃii şi dimensiunii grăunŃilor de cristalizare ale straturilor subŃiri

Microscopia de forŃă atomică (Atomic Force Microscopy – AFM) este un caz

particular al microscopiei de scanare cu sondă/ probă (Scanning Probe Microscopy), utilizată

pentru a evalua şi prezenta topografia suprafeŃei la scală nanometrică pe baza forŃelor atomice

ce apar între un vârf de probă piramidal, fixat de o consolă foarte elastică (denumită

cantilever) şi suprafaŃa investigată. AFM este un echpament de cercetare indispensabil în

caracterizarea topografică a suprafeŃei straturilor subŃiri, adică în determinarea parametrilor de

profil ai suprafeŃei pe baza imaginilor AFM, care se împart în 4 categorii [73]:

1. Parametrii de amplitudine sau de înălŃime sunt parametrii ce caracterizează topografia

suprafeŃei şi sunt determinaŃi cu mare precizie prin AFM. Din măsuratorile AFM de

amplitudine se extrage unul dintre cele 10 tipuri de rugozităŃi: media aritmetică a înălŃimilor

Page 20: REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate2015/MateescuAlice.pdf · rezumat tezĂ de doctorat cercetĂri privind realizarea Şi

Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)

cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

18 CAPITOLUL 2: Date tehnice generale privind metodele, echipamentele şi materialele,

utilizate la realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri tribologice

(zm/ Arithmetic average height); Rugozitatea medie (Ra/ Average Roughness); eroarea

pătratică medie a rugozităŃii (RMS/ Rq/ Root Mean Square Roughnes), etc., [74, 75] din care

doar rugozitatea medie este cel mai utilizat parametru.

2. Parametrii de spaŃiere pe orizontală a formaŃiunilor cristaline (grăunŃilor de

cristalizare), bazaŃi pe măsurătorile pe orizontală dintre formaŃiunile cristaline, din care fac

parte: Numărul de picuri pe unitatea de lungime (number of pick in the profile), Pragul de

numărare a picurilor (Ra este luat ca prag de numărare a picurilor); Densitatea picurilor

(Pick Count/Pc); etc. În practică este preferată evaluarea dimensiunii grăunŃilor de cristalizare

prin determinarea lărgimii maxime la semiînalŃime a picurilor (FWHM - Full With Half

Maximum) [76].

3. Parametrii hibrizi sunt o combinaŃie între parametrii de amplitudine şi parametrii de

spaŃiere pe orizontală.

4. Parametrii funcŃionali sau statistici, care dau informaŃii despre structura suprafeŃei,

redată prin histograme, din care mai importanŃi sunt indicii de asimetrie (Skewness) şi de

aplatizare (Kurtosis) utilizaŃi în mod frecvent în statistică [77].

2.3. Spectrometria de retroîmpraştiere Rutherford (Rutherford Backscatteing

Spectrometry/RBS) utilizată la evaluarea compoziŃiei şi grosimii straturilor subŃiri

Spectrometria de retroîmpraştiere Rutherford (RBS) este o tehnică nucleară de analiză

de mare sensibilitate a materialelor – în general, respectiv a straturilor subŃiri – în special. şi

este bazată pe interacŃia fasciculelor de ioni aceleraŃi cu materia, respectiv pe ciocnirea

elastică dintre ionii de bombardament şi nucleele atomilor de material, care se pot afla în

primul strat atomic sau într-unul din straturile atomice interioare în care are loc ciocnirea [81].

Fasciculul de ioni de bombardament este compus din ioni (uzual ioni de: H+; 4He+;

7Li+), particule alfa (He2+) sau protoni. RBS apare atunci când ionii acceleraŃi la energii de 0,5

MeV - 4 MeV sunt deviaŃi electrostatic şi detectaŃi la un unghi obtuz (teoretic: 00 < θ < 1800;

optim: 1600 < θ < 1700) de către câmpul electrostatic repulsiv al nucleului atomic.

2.4. Indentarea utilizată la evaluarea caracteristicilor mecanice

(duritate şi modul de elasticitate) ale materialelor

Evaluarea proprietăŃilor mecanice esenŃiale ale straturile subŃiri, se face prin măsurarea

a 2 caracteristici mecanice ale materialelor şi anume duritatea (H) şi modulul de elasticitate

Young (E) cu ajutorul tehnicii de indentare, iar pe baza acestora se determină: indicele de

elasticitate (H/E) şi rezistenŃa la deformare plastică (H3/E2) a acestora.

Page 21: REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate2015/MateescuAlice.pdf · rezumat tezĂ de doctorat cercetĂri privind realizarea Şi

Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)

cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

19 CAPITOLUL 2: Date tehnice generale privind metodele, echipamentele şi materialele,

utilizate la realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri tribologice

Indentarea/ amprentarea, ca metodă de determinare a durităŃii şi modulului de

elasticitate al unui material, foloseşte standardul ISO (nr. 14577-1/2002, ce se aplică la toată

aparatura de indentare produsă şi livrată de CSM Instruments din ElveŃia, precum şi la

diferitele tehnici de indentare.

Determinarea valorilor pentru Duritate (HIT) şi Modul de Elasticitate (EIT) prin Testul

de Indentare se face pe baza dimensiunilor amprentei lăsate de un indentor în materialul plan

(proiecŃia ariei de contact = Ap şi adâncimea maximă a amprentei = hm) şi a forŃei de

amprentare/ indentare (Fm). În funcŃie de grosimea materialului sau a stratului subŃire a cărui

duritate şi modul de elasticitate trebuie investigate au fost dezvoltate următoarele tehnici de

indentare, divizate pe baza domeniului de variaŃie al grosimii stratului de investigat:

1. Tehnica macro-indentării, aplicabilă straturilor foarte groase (de ordinul milimetrilor) sau

materialelor brute, la care se utilizează forŃe de apăsare în domeniul: 2 N < F < 30 N;

2. Tehnica micro-indentării, aplicabilă straturilor subŃiri cu grosimea h > 200 nm, când forŃa

de apăsare pentru indentare este sub 2 N (F < 2 N);

3. Tehnica nano-indentării, aplicabilă straturilor foarte subŃiri cu grosime de la ordinul

nanometrilor şi până la sute de nanometrii (1 nm < h < 200 nm).

2.5. Testul de zgâriere (scratch test) utilizat la evaluarea caracteristicilor mecanice

(aderenŃă) pentru straturile subŃiri tribologice Testul de zgâriere (scratch test) se bazează pe standardul ASTM C 1624 (Standard Test

Method for Adhesion Strength and Mechanical Failure Modes of Ceramic Coatings by

Quantitative Single Point Scratch Testing) şi este utilzat pentru determinarea rezistenŃei de

aderenŃă (adhesion strength) la substrat şi a modurilor de rupere (failure mods) a acoperirilor

ceramice pe substrat din metal sau din materiale ceramice. Standardul stabileşte în detaliu

terminologia utilizată, procedura de lucru, calibrările necesare pentru efectuarea corectă a

măsurătorilor, precum şi limitările de utilizare ale metodei.

În testul de zgâriere se foloseşte un vârf (stylus) de diamant cu o anumită geometrie care

este mişcat pe suprafaŃa probei cu o anumită viteză şi cu o anumită forŃă de apăsare, ce supune

materialul la un process de deformare prin comprimare, combinat cu un proces de frecare

dinamică. ForŃa (sarcina) de apăsare pe întreaga durată a testului poate să: a) fie menŃinută

constantă (Constant Load/ CL); b) crească progresiv (Progresiv Load/ PL); c) crească în

trepte (Incremental Load/ IL). AderenŃa la substrat a filmului (sau coeziunea dintre

substraturile componente ale peliculei) este calculată de softul aparatului şi redată prin

valorile pentru sarcinile critice (critical loads) LC1, LC2 şi LC3. Astfel cu:

Page 22: REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate2015/MateescuAlice.pdf · rezumat tezĂ de doctorat cercetĂri privind realizarea Şi

Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)

cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

20 CAPITOLUL 2: Date tehnice generale privind metodele, echipamentele şi materialele,

utilizate la realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri tribologice

• LC1 - se notează sarcina de apăsare la care apar primele fisuri/ crackings (first cracks

named and Hertzian cracks) pe marginea şanŃului de zgâriere în forma literei V.

• LC2 - se notează sarcina de apăsare la care apar primele detaşări (chipping) la interfaŃa

film-substrat, împreună cu fisurile din şanŃul de zgâriere cu rol catastrofic asupra peliculei

(catastrophic failure).

• LC3 - se notează sarcina de apăsare la care apar aşchii severe (coarse chips) sau aşa

numitele fisuri concoidale (conchoidal cracks).

2.6. Evaluarea uzurii şi a coeficientului de frecare pentru cuplele de frecare cu ajutorul tribometrului tip pin pe disc sau bilă pe disc

Frecarea, exprimată valoric prin coeficientul de frecare şi uzură produsă în timp

(cantitatea de material îndepartat de pe obiectele supuse frecării) şi masurată prin metoda

tribometrului (pin/ bila-pe-disc) este problema esenŃială a tutror sistemelor mecanice, care

conduce la distrugerea prematură a acestora şi din acest motiv este necesară cunoaşterea şi

monitorizarea acesteia. Metodele Pin/ Ball-on-Disc se bazează pe standardele DIN 50 324 şi

ASTM G 99 - 95a şi constau dintr-un pin sau o bilă staŃionară/ fixă aflată în contact ferm (cu o

forŃă de apăsare Fn) cu o masă rotitoare pe care se află fixată piesa de studiat,. Raportul dintre

forŃa tangentială (FT) care deflectează braŃul elastic ce susŃine bila/ ştiftul şi forŃa normală de

apăsare (Fn) dă valoarea coeficientului de frecare, iar volumul de material îndepărtat este

calculat în urma evaluării profilului de uzură realizat de bilă/ ştift în probă, folosind formula:

Vtrack = A · L, (2-6), unde: Vtrack = volumul de material îndepărtat; A = aria secŃiunii

transversale a urmei lăsate de bilă/ ştift; L = lungimea totală a traseului parcurs de bilă/ ştift.

2.7. Alte echipamente utilizate pentru caracterizarea probelor

Verificarea la coroziune a probelor din W-C-Ti şi W-C-Ti-N s-a realizat cu

echipamentul de măsurare a coroziunii existent la Universitatea Transilvania din Braşov.

Grosimea depunerilor a fost măsurată în timpul procesului de depunere folosind

controlerul Infincon cu microbalanŃă cu cristale de cuart, tip SQC 310C, echipat cu 4 cristale

de cuarŃ, pentru monitorizarea grosimii depunerii realizată de fiecare magnetron şi apoi

verificată prin RBS (la IFIN-HH) şi SEM (la INCDFM).

Pentru evidenŃierea grafică a structurii straturilor foarte complexe (de exemplu cu 5

pachete de straturi repetitive cu compoziŃie variabilă – proba 32) şi pentru evaluarea grosimii

acestora s-a utilizat Microscopul electronic cu baleiaj, tip SEM-FIB (TESCAN Lyra 3 FEG),

existent la Institutul National de Cercetare-Dezvoltare pentru Fizica Materialelor (INCDFM).

Page 23: REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate2015/MateescuAlice.pdf · rezumat tezĂ de doctorat cercetĂri privind realizarea Şi

Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)

cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

21 CAPITOLUL 3: Cercetări experimentale pentru evaluarea capabilităŃilor tehnice

ale instalaŃiei utilizată la realizarea acoperirilor tribologice din cadrul tezei

CAPITOLUL 3

3. Cercetări experimentale pentru evaluarea capabilităŃilor tehnice ale instalaŃiei utilizată la realizarea acoperirilor tribologice din cadrul tezei

3.1. Timpi de vidare, vid limită şi neetanşeitate cameră tehnologică

A. EvoluŃia în timp a vidului în camera tehnologică echipată complet şi utilizată

pentru depuneri, la vidarea acesteia este prezentată în Tabelul 3.1.

Tabelul 3.1. EvoluŃia în timp a vidului în camera tehnologică

Timp Minute]

Presiune [mbar]

Timp Minute]

Presiune [mbar]

Timp [Minute]

Presiune [mbar]

Timp [Minute]

Presiune [mbar]

Timp [Minute]

Presiune [mbar]

2 30 20 1,8 · 10-5

44 7,2 · 10-6

64 4,7 · 10-6

91 3,3 · 10-6

4 3 22 1,6 · 10-5 45 7,0 · 10-6 66 4,6 · 10-6 94 3,2 · 10-6

6 1,1 24 1,4 · 10-5

47 6,7 · 10-6

67 4,5 · 10-6

97 3,1 · 10-6

6,50 1 26 1,3 · 10-5 48 6,5 · 10-6 68 4,4 · 10-6 100 3,0 · 10-6

7 2,0 · 10-1

27 1,2 · 10-5

51 6,3 · 10-6

70 4,3 · 10-6

104 2,9 · 10-6

8 3,5 · .10-4 29 1,1 · 10-5 52 6,0 · 10-6 71 4,2. · 0-6 108 2,8 · 10-6

9 1,5 · 10-4

31,3 1,0 · 10-5

53 5,8 · 10-6

73 4,1 · 10-6

112 2,7 · 10-6

10 8,0 · 10-5

33 9,7 · 10-6

55 5,6 · 10-6

75 4,0 · 10-6

117 2,6 · 10-6

11 6,0 · 10-5 36 9,0 · 10-6 56 5,5 · 10-6 77 3,9 · 10-6 122 2,5 · 10-6

12 4,3 · 10-5

38 8,4 · 10-6

58 5,3 · 10-6

79 3,8 · 10-6

129 2,3 · 10-6

14 3,1 · 10-5 40 8,0 · 10-6 60 5,1 · 10-6 81 3,7 · 10-6 142 2,2 · 10-6

16 2,5 · 10-5

41 7,7 · 10-6

61 5,0 · 10-6

83 3,6 · 10-6

150 2,1 · 10-6

17 2,3 · 10-5 42 7,6 · 10-6 62 4,9 · 10-6 86 3,5 · 10-6 159 2,0 · 10-6

18 2,0 · 10-5

43 7,4 · 10-6

63 4,8 · 10-6

88 3,4 · 10-6 1200(20h) 3,0 · 10

-7

B. EvoluŃia în timp a scăderii vidului în spaŃiul tehnologic de la oprirea

echipamentului de vidare (în perioada tranzitorie de oprire a pompei turbomoleculare de la

primirea comenzii de oprire) este prezentată în tabelul alăturat (Tabelul 3.2).

Tabelul 3.2. EvoluŃia în timp a scăderii vidului în camera tehnlogică

Timp [Minute]

Presiune [mbar]

Oprire sistem de vidare

0 4,4. · 10-6

Perioada tranzitorie de oprire a pompei turbomoleculare

1 4,3 · 10-6

4 4,5 · 10-6

5 4,8 · 10-6

6 4,4 · 10-4

8 8,0 · 10-3

10 2,8 · 10-2

C. EvoluŃia în timp a degazărilor şi neetanşeităŃilor în spaŃiul tehnologic la izolarea

accestuia de sistemul de vidare este prezentată în Tabelul 3.3.

Pe baza datelor din tabel se determină debitul de scăpări în spaŃiul tehnologic, care determină

creşterea presiunii: sec

1059,0sec6020

50)028,0...17,0( 2 l

mbarlitri

mbart

VpQ ⋅⋅=

⋅⋅=⋅∆=

Page 24: REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate2015/MateescuAlice.pdf · rezumat tezĂ de doctorat cercetĂri privind realizarea Şi

Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)

cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

22 CAPITOLUL 3: Cercetări experimentale pentru evaluarea capabilităŃilor tehnice

ale instalaŃiei utilizată la realizarea acoperirilor tribologice din cadrul tezei

Tabelul 3.3. EvoluŃia în timp a degazărilor şi neetanşeităŃilor în camera tehnologică

Timp [Minute]

Presiune [mbar]

Timp [Minute]

Presiune [mbar]

Timp [Minute]

Presiune [mbar]

0 2,8 · 10-2 10 1,0 · 10-1 22 1,8 · 10-1

2 4,6 · 10-2 11 1,1 · 10

-1 24 1,9 · 10-1

4 6,0 · 10-2 12 1,2 · 10-1 25 2,0 · 10-1

5 6,7 · 10-2 14 1,3 · 10

-1 27 2,8 · 10-1

6 7,4 · 10-2 15 1,4 · 10-1 29 2,9 · 10-1

7 8,1 · 10-2 17 1,5 · 10-1 31 3,0 · 10-1

8 8,7 · 10-2 18 1,6 · 10

-1 32 3,1 · 10-1

9 9,5 · 10-2 20 1,7 · 10-1 34 3,2 · 10-1

3.3. Domeniul teoretic şi practic de lucru al magnetroanelor

Domeniul de echilibru al presiunilor de lucru, respectiv domeniul de stabilitate al

vidului dinamic în spaŃiul tehnologic este prezentat în tabel cu galben aprins si acesta este

domniul practic de lucru al magnetroanelor, iar cu galben pal este reprezentat domeniul de

presiune parŃial stabilizată.

Tabelul 3.4. Domeniul practic de lucru pentru magnetroanlele tip ONYX-2™

Debit gaz (QAr)

[cm3/min] Presiune [mbar]

Debit gaz (QAr)

[cm3/min] Presiune [mbar]

Debit gaz (QAr) [cm3/min]

Presiune [mbar]

0,5 5.0 · 10-6 110 3,3 · 10-3 390 1,6 · 10-2

1 3,7 · 10-5

120 3,4 · 10-3

400 1,8 · 10-2

2 1,1 · 10-4 131 3,5 · 10-3 410 1,9 · 10-2

3 1,8 · 10-4 140 3,6 · 10-3 420 2,1 · 10-2

4 2,6 · 10-4

150 3,7 · 10-3

440 2,5 · 10-2

5 3,5 · 10-4 160 3,8 · 10-3 450 2,7 · 10-2

10 4,1 · 10-4

180 4,1 · 10-3

470 3,1 · 10-2

15 7,4 · 10-4 200 4,0 · 10-3 480 3,3 · 10-2

20 9,5 · 10-4

220 3,7 · 10-3

490 3,5 · 10-2

25 1,3 · 10-3 240 4,4 · 10-3 500 3,8 · 10-2

30 1,4 · 10-3 250 4,8 · 10-3 510 4,0 · 10-2

40 1,7 · 10-3

310 7,3 · 10-3

540 5,1 · 10-2

50 2,0 · 10-3 320 8,2 · 10-3 550 5,6 · 10-2

60 2,4 · 10-3

330 9,4 · 10-3

560 6,0 · 10-2

70 2,6 · 10-3 340 1,0 · 10-2 570 6,6 · 10-2

80 2,8 · 10-3

350 1,1 · 10-2

580 7,2 · 10-2

90 3,0 · 10-3

360 1,3 · 10-2

600 8,3 · 10-2

100 3,2 · 10-3 380 1,5 · 10-2 620 1,0 · 10-1

Page 25: REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate2015/MateescuAlice.pdf · rezumat tezĂ de doctorat cercetĂri privind realizarea Şi

Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)

cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

23 CAPITOLUL 4: Cercetări experimentale pentru determinarea ratelor de depunere prin pulverizare

magnetron ale materialelor de interes la realizarea acoperirilor tribologice

CAPITOLUL 4

4. Cercetări experimentale pentru determinarea ratelor de depunere prin pulverizare magnetron ale materialelor de interes la realizarea acoperirilor tribologice

4.1. Date tehnologice pentru depunerea Ti, W, TiB2 şi WC

Rata de depunere prin pulverizare (Rdp) pentru principalele materiale utilizate în cadrul

experimentărilor a fost măsurată cu microbalanŃa cu cristale de cuarŃ, reprezentată de

controlerul SQC 320 de la INFINCON, descris anterior şi prezentată în: Fig. 4.1 şi Fig. 4.2.

Rdp [A/S]

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

Pu [W

]

0

20

40

60

80

100

120

Debit Ar: 50 cm3/min

Debit Ar: 100 cm3/min

Debit Ar: 150 cm3/min

Debit Ar: 200 cm3/min

Rdp [A/s]

0 2 4 6 8 10 12 14

Pu [W

]

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Debit Ar: 50 cm3/min

Debit Ar: 100 cm3/min

Debit Ar: 150 cm3/min

Debit Ar: 200 cm3/min

a. Ti b. W

Rdp [A/s]

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

Pu [W

]

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

Debit Ar: 50 cm3/min

Debit Ar: 100 cm3/min

Debit Ar: 150 cm3/min

Debit Ar: 200 cm3/min

Rdp [A/s]

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5

Pu [W

]

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

Debit Ar: 50 cm3/min

Debit Ar: 100 cm3/min

Debit Ar: 150 cm3/min

Debit Ar: 200 cm3/min

c. TiB2 d. WC

Figura 4.1. Ratele de depunere prin pulverizare magnetron pentru Ti (a); W (b); TiB2 (c) şi WC (d)

la debite ale gazului de bomardament (Ar) de: 50; 100; 150 şi 200 cm3

/ min

În Figura 4-2 este prezentat un exemplu de afişare a puterii consumate şi a ratei de

depunere prin pulverizare magnetron, pentru o Ńintă de Ti, montată pe magnetronul 4.

Page 26: REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate2015/MateescuAlice.pdf · rezumat tezĂ de doctorat cercetĂri privind realizarea Şi

Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)

cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

24 CAPITOLUL 4: Cercetări experimentale pentru determinarea ratelor de depunere prin pulverizare

magnetron ale materialelor de interes la realizarea acoperirilor tribologice

Figura 4.2. RTi = 3,97 Å/s la Pcomsumata = 50% · Pmax= 300 W

Rata de depunere pentru Ti, măsurată cu microbalanŃa cu cristal de cuarŃ (SQC 310C),

pentru o putere de alimentare a sursei magnetron setata la 50% · Pmax = 0,5.600 = 300W

4.2. Experimentări tehnologice pentru stabilirea domeniului de variaŃie al presiunilor de lucru şi al ratelor de depunere pentru următoarele materiale uzuale

simple: Ti, Al, C, utilizabile pentru obŃinerea de straturi lubrifiante uscate prin pulverizare magnetron standard în cc

Pentru depunerea grafitului s-a utilizat pulverizarea magnetron în cc, pentru care se

dau datele din Figura 4.3.

Figura 4.3. VariaŃia ratei de depunere – R (Å/s ) - la C, funcŃie de

puterea injectată în plasmă – Pu (W) pentru diferite debite de gaz de gaz de lucru

(70; 80; 100; 120 cm3/min), respectiv presiuni

Rdp [A/s]

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

Pu [W]

0

20

40

60

80

100

120

140

160

Debit Ar: 60 cm3/min

Debit Ar: 70 cm3/min

Debit Ar: 80 cm3/min

Debit Ar: 100 cm3/min

Debit Ar: 120 cm3/min

Page 27: REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate2015/MateescuAlice.pdf · rezumat tezĂ de doctorat cercetĂri privind realizarea Şi

Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)

cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

25 CAPITOLUL 5: Cercetări experimentale privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri

tribologice, nanometrice şi complexe, cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

CAPITOLUL 5

5. Cercetări experimentale privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri tribologice, nanometrice şi complexe, cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

5.1. Straturi tribologice pe bază de carbură de wolfram (WC), cu compoziŃie binară (W-C), ternară (W-C-N, W-C-Ti) şi cuaternară (W-C-Ti-N),

obŃinute prin pulverizare magnetron de tip standard sau reactiv, din Ńinte de pulverizare comerciale din WC dopate cu N2 şi/ sau Ti

Carbura de wolfram prezintă un mare interes în realizarea acoperirilor tribologice

performante, iar caracteristicile fizico-chimice esenŃiale ale acesteia au fost prezentate în

capitolul 2.10.3. Pornind de la datele prezentate anterior, în această lucrare s-au determinat

parametrii tehnologici de realizare prin pulverizare magnetron şi de caracterizare:

morfologică, structurală, compoziŃională, mecanică, electrică şi rezistenŃă la coroziune a

straturilor tribologice pe baza de carbură de wolfram cu compoziŃie:

1) binară W-C, realizată prin pulverizarea magnetron standard în cc a Ńintelor de WC;

2) ternară: a) W-C-N, realizată prin pulverizarea magnetron de tip reactiv (folosind N2

drept gaz reactiv) în cc a Ńintelor de WC;

b) W-C-Ti, realizată prin pulverizarea magnetron standard în cc, a Ńintelor

de WC şi Ti, în mod simultan;

3) cuaternară W-C-Ti-N, realizată prin pulverizarea magnetron de tip reactiv (folosind

N2 drept gaz reactiv) în cc, a Ńintelor de WC şi Ti, în mod simultan.

Rezultatele acestui studiu sunt publicate in 2 articole ISI, prezentate în Lista din Cap. 6.2.2.

5.1.1. Parametrii tehnologici de realizare a structurilor binare, ternare şi cuaternare pe

bază de WC şi caracteristicile morfologice ale acestora, evaluate prin AFM

Straturile binare, ternare şi cuaternare pe bază de WC au fost realizate folosind

pulverizarea magnetron de tip standard sau reactiv (utilizând N2 ca gaz reactiv) a Ńintelor de

WC (pentru structurile binare şi ternare) şi a Ńintelor din WC şi Ti pentru structurile

cuaternare, iar parametrii tehnologici de realizare sunt prezentaŃi sintetic în Tabelul 5.1.

Pentru stabilirea parametrilor tehnologici de realizare a structurilor binare, ternare şi

cuaternare pe bază de WC şi a caracteristicilor morfologice ale acestora s-au realizat 18 probe,

la diferiŃi parametrii tehnologici (plucru, QAr, QN2, TempSubstrat, Upolarizare, Umag şi Imag), astfel:

– 6 probe pentru structuri binare, tip W-C, cu numerele: 1, 2, 4, 6, 8 şi 10;

– 5 probe pentru structuri ternare, tip W-C-N, cu numerele: 3, 5, 7, 9 şi 11;

– 3 probe pentru structuri ternare, tip W-C-Ti, cu numerele: 14, 15 şi 17;

– 4 probe pentru structuri cuaternare, tip W-C-Ti-N, cu numerele: 12, 13, 16 şi 18.

Page 28: REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate2015/MateescuAlice.pdf · rezumat tezĂ de doctorat cercetĂri privind realizarea Şi

Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)

cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

CAPITOLUL 5: Cercetări experimentale privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri tribologice, nanometrice şi complexe, cu aplicaŃii în tehnologia

materialelor avansate

26

Tabelul 5.1. InfluenŃa parametrilor procesului de depunere asupra rugozităŃii şi dimensiunii grăunŃilor la acoperirile tribologice pe bază de WC

Nr. probă

Parametrii procesului de depunere Rezultate

Material Ńintă

pulverizare (Gun)

Debit gaz Presiune de lucru

[hPa]

Parametrii substrat Parametrii plasmă

magnetron

Timp depunere

[minute]

Rată de depunere*

[Å/s]

Grosimeestimată

[nm]

Materialul depus

Rugozitate** (AR) pentru suprafata investigată de:

Dimensiune grăunŃi**

(GS)

[nm]

Ar N2 Temperatură [°C]

Tensiune polarizare

[kV]

Tensiune [V]

Curent [mA]

2,5µm2 [nm]

5µm2 [nm] cm3/min

0 Substrate - - - - - - - - - - - 0,20 0,40 - 1 WC 100 0 2,9-2,95 ·10-3 50 0 568-548 119-118 10 4,40-4,00 252 WxCy 0,50 0,66 1,21 2 WC 100 0 2,9-2,95 ·10-3 50 0,6 567-552 118-117 10 4,40-4,00 252 WxCy 0,33 1,40 1,09 3 WC 100 20 2,95-3 · 10-3 50 0,6 569-547 118-117 18 4,40-3,90 448 WxCyNz 0,69 0,90 3,13 4 WC 100 0 2,9-2,95 ·10-3 450 0 581-577 118-116 15 4,40-4,00 378 WxCy 0,37 0,60 1,30 5 WC 100 40 2,95-3 · 10-3 550 0,4 585-571 117-116 20 4,20-3,80 480 WxCyNz 2,73 9,07 11,00 6 WC 300 0 5,4-5,6 · 10-3 50 0 459-430 119-118 30 4,10-3,70 702 WxCy 1,56 6,23 8,62 7 WC 300 60 1,4-1,5 · 10-2 50 0,5 469-466 119-118 30 4,00-3,60 684 WxCyNz 1,59 0,77 18,10 8 WC 300 0 5,4-5,6 · 10-3 550 0 469-443 118-117 30 4,10-3,70 702 WxCy 0,54 0,92 2,64 9 WC 300 60 1,4-1,5 · 10-2 550 0,5 464-463 118-117 30 4,00-3,60 684 WxCyNz 0,41 0,82 1,80 10 WC 300 0 5,4-5,7 · 10-3 250 0 452-441 118-116 30 4,10-3,70 702 WxCy 0,59 1,53 4,00 11 WC 300 60 1,4-1,5 · 10-2 250 0,5 473-468 118-117 30 4,00-3,60 684 WxCyNz 0,33 0,61 2,25

12 WC-Gun1 Ti-Gun4

100 40 2,6-2,9 · 10-3 550 0,5 563-555 292-288

118-117 24-23

35 - - WxCyTizNv 0,23 1,14 3,90

13 WC-Gun1 Ti-Gun4

100 40 2,6-2,9 · 10-3 50 0,5 570-565 300-292

118-117 25-24

30 - - WxCyTizNv 0,47 0,84 2,25

14 WC-Gun1 Ti-Gun4

100 0 3,0-3,1 · 10-3 550 0,5 568-560 308-300

118-117 26-24

30 - - WxTiyCz 0,24 0,98 2,75

15 WC-Gun1 Ti-Gun4

100 0 2,8-3,0 · 10-3 45 0,5 530-522 298-292

118-117 28-26

40 - - WxTiyCz 0,25 0,47 1,60

16 WC-Gun1 Ti-Gun4

100 80 2,8-2,7 · 10-3 50 0,5 600-595 280-272

176-170 14-13

24 - - WxTiyCzNv 0,67 1,91 3,20

17 WC-Gun1 Ti-Gun4

100 0 2,9-3,0 · 10-3 28 0,2 450-443 288-280

50-48 14-13

60 - - WxTiyCz 0,76 1,14 6,85

18 WC-Gun1 Ti-Gun4

100 40 2,8-2,9 · 10-3 35 0,3 510-502 260-253

80-77 7-6

60 - - WxCyTizNv 0,68 0,87 3,20

* măsurat in-situ cu MicrobalanŃă cu Cristal de CuarŃ; **Măsurat prin Microscopie de ForŃă Atomică (AFM)

Page 29: REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate2015/MateescuAlice.pdf · rezumat tezĂ de doctorat cercetĂri privind realizarea Şi

Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)

cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

27 CAPITOLUL 5: Cercetări experimentale privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri

tribologice, nanometrice şi complexe, cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

Pentru evaluarea caracteristicilor morfologice ale probelor (rugozitatea şi dimensiunea

grăunŃilor de cristalizare – prezentate în tabelul 5.1) s-a utilizat analiza prin Microscopie de

ForŃă Atomică (AFM) , iar rezultatele obŃinute sunt prezentate în Figura 5.2.

Proba

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

Ru

go

zit

ate

a [

nm

]

0

2

4

6

8

10

Rugozitatea pe 2,5 um2

Rugozitatea pe 5 um2

Proba

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

Dim

en

siu

ne

a g

rau

nti

lor

[nm

]

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

a. b.

Figura 5.2. a, b. Rugozitatea probelor evaluate pe 2,5 µm2; 5 µm

2 (a)

Dimensiunea grăunŃilor de cristalizare (b)

5.2. Realizarea şi caracterizarea din punct de vedere morfologic, structural,

compoziŃional, mecanic şi tribologic a straturilor subŃiri tribologice, complexe, realizate prin pulverizare magnetron de tip standard sau reactiv,

din 3 materiale de baza (Ńinte de pulverizare): Ti; TiB2 şi WC

5.2.1. Realizarea şi caracterizarea morfolgică şi compozitională a straturilor tribologice cu compoziŃie pseudoternară (Ti/TixNy; TiB2/TixByNz; WC/WxCyNz ) respectiv cuaternară

(Ti-B-W-C) şi pentanară (Ti-B-W-C-N) constantă, pornind de la 3 materiale de bază (Ńinte de pulverizare): Ti; WC şi TiB2

5.2.1.1. Parametrii tehnologici de realizare a straturilor tribologice cu compoziŃie

pseudoternară (respectiv cu compoziŃie cuaternară şi pentanară) constantă Pentru realizarea straturilor tribologice cu compoziŃie pseudoternară (Ti/TixNy;

TiB2/TixByNz; WC/WxCyNz), respectiv cuaternară (Ti-B-W-C) si pentanară (Ti-B-W-C-N), s-au

realizat probele: 38, 27, 29, 26,, 28 şi 25 pentru care s-au utilizat parametrii de proces

prezentaŃi în Tabelul 5.10. Rezultatele complete ale acestui studiu sunt publicate în 3 aricole

ISI ce sunt prezentate în Capitolul 6.2.2. După cum rezultă şi din tabel s-au realizat 6 probe cu

compoziŃie pseudo-ternară (Ti/TixNy - TiB2/ TixByNz - WC/ WxCyNz), respectiv cu compoziŃie

cuaternară (Ti-B-W-C proba 1) şi pentanară (Ti-B-W-C-N; probele 2, 3, 4, 5 şi 6), având

structură de strat unic (probele: 1 şi 2) sau de multistrat (probele: 3 şi 4, realizate cu 3

straturi, iar 5 şi 6, realizate din 5 pachete repetitive a câte 3 straturi fiecare).

Tabelul 5.10. Parametrii de proces pentru realizarea straturilor tribologice cu compoziŃie

pseudoternară (respectiv cu compoziŃie cuaternară şi pentanară) constantă

Page 30: REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate2015/MateescuAlice.pdf · rezumat tezĂ de doctorat cercetĂri privind realizarea Şi

Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)

cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

CAPITOLUL 5: Cercetări experimentale privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri

tribologice, nanometrice şi complexe, cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

28

Nr.

pro

Mat

eria

l Ńi

ntă

Strat depus

Debit gaze de lucru [cm3/ min]

Presiune [mbar]

Putere injectată în plasma [%·Pmax]

Rată de pulverizare estimată

[A/s]

Tim

p de

pun

ere

[m

in]

Grosime estimată

[nm] Ar N2

1 (38)

Ti TiB2 WC

1x [Ti +TiB2 +WC]

(W-C-Ti-B) strat unic fără N2

150

0

3,2x10-3

15 30 30

(0,4- 1,0)+ (0,2- 0,8)+ (0,8- 1,2)

30

180-450+ 90-360+ 360-540= 530-900

2 (27)

Ti TiB2 WC

1x [TixNy+TixByNz+WxCyNz]

(W-C-Ti-B-N)

strat unic cu N2

150

40

3,5x10-3

15 30 30

(0,4- 1,0)+ (0,2- 0,8)+ (0,8- 1,2)

30

60 -150+ 30- 120+ 120-180= 210…450

3 (29)

Ti TiB2 WC

1x [TixNy/TiB2/WC] (W-C-Ti-B-N)

multistrat, 1 pachet, cu N2 la Ti

100 150 150

40 0 0

3,5x10-3

3,4x10-3

3,4x10-3

15 30 30

0,4 - 1,0 0,2 - 0,8 0,8- 1,2

25 25 25

60…150+ 30…120+ 120…180=210-450

4 (26)

Ti TiB2 WC

1x [TixNy/TixByNz/WxCyNz]

(W-C-Ti-B-N)

multistrat, 1 pachet, cu N2 la toate Ńintele

100 150 150

40 40 40

2,8x10-3

3,1x10-3

3,1x10-3

15 30 30

0,4 - 1,0 0,2 - 0,8 0,8- 1,2

25 25 25

60 …150 30 … 120 120…180 210…450

5 (28)

Ti TiB2 WC

5 x [TixNy/TiB2/WC] (W-C-Ti-B-N)

multistrat, 5 pachete, cu N2 la Ti

100 150 150

40 0 0

3,5x10-3

3,4x10-3

3,4x10-3

15 30 30

0,4 - 1,0 0,2 - 0,8 0,8- 1,2

25 25 25

60…150+ 30…120+ 120…180=210-450

6 (25)

Ti TiB2 WC

5x [TixNy/TixByNz/WxCyNz]

(W-C-Ti-B-N)

multistrat, 5 pachete, cu N2 la toate Ńintele

100 150 150

40 40 40

2,8x10-3

15 30 30

(0,4- 1,0)+ (0,2- 0,8)+ (0,8- 1,2)

25 25 25

60 -150+ 30- 120+ 120-180= 210…450

5.2.1.2. Caracterizarea morfologică şi compoziŃională a straturilor tribologice cu compoziŃie pseudoternară constantă (respectiv cu compoziŃie cuaternară şi pentanară)

Pentru caracterizarea morfologică a straturilor depuse s-a utilizat microscopia de forŃă

atomică. DistribuŃia dimensiunii particulelor redată în histogramele asociate imaginilor AFM

(obŃinute cu softul SPIP 6.0.9) şi prezentate în Figura 5.10.a; b; c – din Teză, arată că

diametrul mediu al particulelor este de: 10 - 40 nm pentru proba 1; 10 - 80 nm la proba 2; 1-

10 nm pentru proba 3; 30 nm pentru proba 4. Rugozitatea medie şi Dimensiunea medie a

grăunŃilor de cristalizare sunt prezentate sintetic în Figura 5.12.

Proba

1 2 3 4 5 6

Ru

go

zit

ate

[n

m}

0

1

2

3

4

5

6

7

Proba

1 2 3 4

Dim

en

siu

ne

a g

rau

nti

lor

de

cri

sta

liza

re [

nm

}

0

10

20

30

40

50

60

Figura 5.12. Rugozitatea medie şi Dimensiunea medie a grăunŃilor de cristalizare

evaluate prin AFM

Page 31: REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate2015/MateescuAlice.pdf · rezumat tezĂ de doctorat cercetĂri privind realizarea Şi

Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)

cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

CAPITOLUL 5: Cercetări experimentale privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri

tribologice, nanometrice şi complexe, cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

29

Caracterizarea compoziŃională a straturilor depuse a fost efectuată prin metoda

spectrometrică de retroîmprăştiere Rutherford (Rutherford Backscattering Spectrometry/

RBS). În cazul acestei lucrări s-a utilizat un fascicul monoenergetic de ioni de heliu (He+2

) de

3 MeV pentru primele 2 probe şi de 4 MeV pentru restul probelor, obŃinute la acceleratorul de

3 MV tip Tandentron, xistent la IFIN-HH. Rezultatele investigatiei prin RBS pentru cele 6

probe sunt prezentate în Figura 5.11.a ... f.

a. Proba 1(38) b. Proba 2(27) g = 190 nm; W

0.35C

0.23Ti

0.12B

0.25 g = 278 nm; W

0.31C

0.2N

0.2Ti

0..09B

0.18

c. Proba 3(29) d. Proba 4(26)

g = 180 nm; Ti0.5

N0.5

/ Ti0.3

B0.7

/ W0.5

C0.5

g = 190 nm; Ti0.3

N0.7

/ Ti0.15

B0.45

N0.4

/ W0.4

C0.3

N0.25

O0.05

e. Proba 5(28) f. Proba 6(25)

g = 394 nm; Ti0.2

N0.8

/ Ti0.12

B0.88

/ W0.11

C0.89

g = 271 nm; Ti

0.5 N

0.5 / Ti

0.2 B

0.6 N

0.2 / W

0.46 C

0.15 N

0.39

Figura 5.11. Spectrul RBS măsurat şi simulat

Page 32: REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate2015/MateescuAlice.pdf · rezumat tezĂ de doctorat cercetĂri privind realizarea Şi

Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)

cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

CAPITOLUL 5: Cercetări experimentale privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri

tribologice, nanometrice şi complexe, cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

30

5.2.1.4. Caracterizarea mecanică şi tribologică a straturilor tribologice cu compoziŃie pseudo-ternară (respectiv cu compoziŃie cuaternară şi pentanară) constantă

B. Determinarea durităŃii prin indentare, folosind trusa CSM din UTBv

Având în vedere că grosimea acoperirilor pentru cele 6 probe, estimată prin RBS este

sub 500 nm, pentru toate testele de indentare cu trusa CSM s-au folosit sarcini mici pentru a

se evita pătrunderea în substrat. Astfel, pentru proba 1(38) s-au efectuat 8 teste de indentare

cu o forŃăde 0, 5 N; 7 teste cu forŃă de 1 N şi 9 teste având forŃa de indentare de 1,5 N. Pentru

proba 2(27) forŃa de indentare a fost de 1 N pentru cele 7 teste efectuate. Pentru proba 3(29) s-

au efectaut 10 teste de indentare, iar pentru probele 4(26) şi 5(28) câte 6 teste folosind de

fiecare dată o forŃă de 1 N. Pentru ultima probă s-a acŃionat cu o forŃă de indentare de 0,5 N

pentru toate cele 14 teste efectuate. Rezultatele obŃinute sunt prezentate în talelul 5.13.

Table 5.13. Rezultatele şi parametrii testului de indentare

Nr Proba Duritate Modul de elasticitate Rezultate suplimentare

HIT HV EIT Er E* Fmax hmax S hc hr hp [GPa] Vikers [GPa] mN nm mN/nm nm nm nm

1 (38)

12,811 1186,437 201,314 183,623 221,224 0,97 43,99 0,0583 31,99 27,96 18,82

2 (27)

14,627 1354,614 217,714 197,494 239,247 0,93 39,54 0,0580 27,85 23,82 14,66

3 (29)

9,881 915,061 138,534 137,440 155,918 0,60 35,05 0,0396 22,72 19,62 16,70

4 (26)

11,022 1037 174,630 164,310 191,900 0,71 40,78 0,0488 29,82 26,143 18,13

5 (28)

12,138 1124,133 174,65 164,25 191,93 0,78 39,65 0,0485 27,58 23,59 15,07

6 (25)

4,942 456,701 217,905 103,318 122,563 0,27 26,01 0,0306 19,06 16,89 11,41

C. Determinarea aderenŃei (sarcina critică) prin testul de zgâriere (Scratch test)

Rezultatele testului de aderenŃă prin Scratch Test sunt valorile găsite pentru sarcinile

critice: Lc1; Lc2 şi Lc3. Pentru fiecare probă au fost efectuate câte 3 teste de zgâriere, iar

valoarile medii obŃinute sunt prezentate în Tabelul 5.14.

Tabelul 5.14. Rezultatele testului de zgâriere

Nr. probă

Sarcină critică Lc1; Lc2; Lc3/ AderenŃă ForŃă

normală ForŃă de frecare

Adâncime de zgâriere

N N N nm 1

(38) Lc1 = 0,310; Lc2 = 0,830; Lc3 = 5,970 0 – 5 0 – 1,2 1750

2 (27)

Lc1 = 0,620; Lc2 = 1,990; Lc3 = 8,180 0 – 10 0 – 3 3000

3 (29)

Lc1 = 0,203; Lc2 = 0,830; Lc3 = 2,183 0 – 5 0 – 1,2 1750

4 (26)

Lc1 = 0,203; Lc2 = 1,670; Lc3 = 7,413 0 – 10 0 – 3 7000

Page 33: REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate2015/MateescuAlice.pdf · rezumat tezĂ de doctorat cercetĂri privind realizarea Şi

Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)

cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

CAPITOLUL 5: Cercetări experimentale privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri

tribologice, nanometrice şi complexe, cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

31

5 (28)

Lc1 = 0.447; Lc2 = 1,630; Lc3 = 6,933 0 – 10 0 – 3 19000

6 (25)

Lc1 = 0,277; Lc2 = 0,660; Lc3 = 2,293 0 – 5 0 – 1,2 2500

D. Determinarea coeficientului de frecare prin metoda tribometrului

Testul tribologic pentru determinarea coeficientului de frecare la probele din Tabelul

5.10 s-a realizat cu ajutorul tribometrului pin-pe disc (pin-on-disc tribometer), utilizând

sarcina minimă de 1 N şi o rotaŃie scăzută pentru un timp scurt (22,5 secunde) pentru a nu se

deteriora acoperirea. Rezultatele testului tribologic sunt prezentate în Tabelul 5.15.

Tabel 5.15. CoeficienŃii de frecare obŃinuŃinuŃi în urma testului tribologic

Nr Proba Coeficient de frecare

µ min µ max µ med

1(38) 0,220 0,868 0,759

2(27) 0,262 0,399 0,317

3(29) 0,299 0,609 0,456

4(26) 0,476 0,823 0,684

5(28) 0,334 0,727 0,507

6(25) 0,136 0,207 0,140

5.2.1.5. Concluzii asupra rezultatelor caracterizării mecanice şi tribologice a probelor cu compoziŃie pseudoternară (respectiv cu compoziŃie cuaternară si pentanară) constantă

Sunt prezentate sintetic in Figura 5.18.

Proba

1 2 3 4 5 6

Du

rita

te [

GP

a]

0

2

4

6

8

10

12

14

16

Proba

1 2 3 4 5 6

Mo

du

l d

e e

las

tic

ita

te [

GP

a]

0

50

100

150

200

250

a. Duritate (H) b. Modul de elasticitate (E)

Proba

1 2 3 4 5 6

Ind

ice

de

ela

sti

cit

ate

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

Proba

1 2 3 4 5 6

Re

zis

ten

ta l

a d

efo

rma

re p

las

tic

a [

GP

a]

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

c. Indicele de elasticitate (H/E) d. RezistenŃă la deformare plastică (H

3/E

2)

Page 34: REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate2015/MateescuAlice.pdf · rezumat tezĂ de doctorat cercetĂri privind realizarea Şi

Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)

cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

CAPITOLUL 5: Cercetări experimentale privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri

tribologice, nanometrice şi complexe, cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

32

Lc1 Lc2 Lc3

Sa

rcin

a c

riti

ca

[N

]

0

2

4

6

8

10

Proba 1

Proba 2

Proba 3

Proba 4

Proba 5

Proba 6

minim mediu maxim

Co

efi

cie

nt

de

fre

ca

re

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Proba 1

Proba 2

Proba 3

Proba 4

Proba 5

Proba 6

e. Sarcină critică (LCi) f. Coeficient de frecare (CF)

Figura 5.18. Prezentarea comparativă a caracteristicilor funcŃionale pentru straturile

tribologice cu compoziŃie pseudo-ternară (respectiv cuaternară şi pentanară) constantă

5.2.2. Realizarea şi caracterizarea morfolgică, compoziŃională, mecanică şi tribolgică a straturilor tribologice cu grosime mărită (peste 1 µm) şi compoziŃie pseudo-ternară

(respectiv cu compoziŃie cuaternară şi pentanară) constantă, pornind de la 3 materiale de bază: WC; TiB2 şi Ti

Pentru probele 27(2) şi 38(1), la care s-au determinat parametrii morfologici şi

compoziŃionali, mecanici şi tribologici s-au reluat experimentările şi s-au realizat probele 52

şi 53 folosind parametrii de proces similari, iar durata depunerii a fost sensibil crescută pentru

a se obŃine probe cu grosimea depunerilor de ordinul micronului, în vederea evaluării

tribologice. Rezultatele complete ale acestui studiu au fost acceptate pentru publicare ca

articol în Applied Surface Science - vezi si Lista articolelor ISI din Capitolul 6.2.2.

5.2.2.1. Parmetrii tehnologici de realizare a probelor

Din datele experimentale anterioare s-a observat că pentru obŃinerea grosimii reale a

depunerii trebuie utilizat un factor de corecŃie/ calibrare (k) cu valori între 3 şi 6, date de

poziŃia cristalului balanŃei faŃă de Ńinta magnetron, respectiv faŃă de substrat.

În Tabelul 5.17 sunt prezentaŃi parametrii tehnologici de realizare a celor 2 probe

realizate şi analizate (52 si 53).

Table 5.17. Parametrii tehnologici ai procesului

Nr, probă

Material Ńintă

Strat depus (compoziŃie)

Debit gaze de lucru [cm3/ min]

Presiune [mbar]

Putere injectată

în plasmă

[%·Pmax]

Rată de pulverizare

(SR) (măsurată cu microbalanŃă

cu cuarŃ) [Å/s]

Timp depunere

(td) [min]

Grosime estimată

Th≈Sr.td/6 [nm]

Putere magnetron

[W]

Ar N2

Page 35: REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate2015/MateescuAlice.pdf · rezumat tezĂ de doctorat cercetĂri privind realizarea Şi

Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)

cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

CAPITOLUL 5: Cercetări experimentale privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri

tribologice, nanometrice şi complexe, cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

33

1 (52)

WC TiB2

Ti

1x[TixNy+ TixByNz+ WxCyNz]

(W-C-Ti-B-N)

150

40

3,5x10-3

… 5,0x10-3

30 30 15

2,80 - 2,90 2,54 - 2,44 0,70- 0,72

150

427,5+ 373,5+ 106,5= 907,5

87,12 84,39 28,31

2 (53)

Ti TiB2 WC/

1x[Ti + TiB2+ WC]

(W-C-Ti-B)

150

0

3,3x10-3

30 30 15

4,10- 4,60 4,30- 4,36 1,20- 1,30

150

637,5+ 649,5+ 187,5= 1474,5

26,45 95,73 47,52

5.2.2.2. Determinarea compoziŃiei şi grosimii probelor prin analiza RBS Analiza RBS (Rutherford Backscattering Spectrometry) a fost efectuată la

acceleratorul TandetronTM de 3 MV de la IFIN-HH, folosind ioni de 4He2+ la 4.5 MeV.

Particulele retroîmprăştiate, la un unghi de 165°, au fost înregistrate de un detector

conectat la un lanŃ spectrometric de achiziŃie. RezoluŃia tipică în energie a spectrometrului a

fost mai mare de 18 keV. Spectrul RBS a fost evaluat şi interpretat cu ajutorul softului

SIMNRA şi este prezentat în Figura 5.19 pentru ambele probe.

.

a. Proba 52 b.Proba. 53

g = 1350 nm g = 1380 nm W0.15C0.05Ti0.007B0.23N0.5 şi W0.23C0.02Ti0.006B0.3 W0.3C0.2Ti0.16B0.24O0.1

Figura 5.19.a., b. Spectrul RBS măsurat (linie punctată) şi simulat (linie continuă) pentru

ionii de Heliu (He2+

) retroîmprăştiaŃi la 1650 din monostratul depus pe siliciu

5.2.2.3. Determinarea topografiei suprafeŃei straturilor depuse, prin analiză AFM

Rugozitatea medie a probelor a fost evaluată prin metoda AFM, utilizând

echipamentul “MultiMode NanoScope IIID Controller microscope”, aflat în dotarea IFIN-HH

şi echipat cu un scaner piezoelectric de 125 µm, iar rezultatele testului, înainte şi după testul

tribologic sunt prezentate în Figura 5.20- din Teză.

5.2.2.4. Determinarea caracteristicilor mecanice şi tribologice ale probelor

Page 36: REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate2015/MateescuAlice.pdf · rezumat tezĂ de doctorat cercetĂri privind realizarea Şi

Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)

cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

CAPITOLUL 5: Cercetări experimentale privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri

tribologice, nanometrice şi complexe, cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

34

Măsurătorile de duritate şi tenacitate prin nanoindentare au fost efectuate cu trusa

CSM (aparatul NHT-2) din dotarea UTBv, folosind un vârf de indentare din diamant de tip

Berkovitch. Pentru a se elimina influenŃa substratului asupra măsurătorilor s-au utilizat forŃe

de apăsare reduse astfel încât adâncimea de penetrare să fie mai mică de 10% din grosimea

estimată a depunerilor. Duritatea şi modulul de elasticitate au fost determinate pe baza

modelului Oliver - Pharr. Pentru comparaŃie măsurătorile de nanoindentare au fost efectuate şi

asupra materialelor substratului şi vârfului de indentare.

Rezultatele testului sunt prezentate în Tabelul 5.18 şi Figura 5.21.

Testul de zgâriere pentru evaluarea aderenŃei acoperirii la substrat a fost efectuat cu

ajutorul unui “Micro Scratch Tester” (CSM Instruments), utilizând un vârf de zgâriere din

oŃel 100Cr6 cu o geometrie Rockwell (cu raza vârfului = 100 µm). Sarcina de zgâriere a fost

aplicată progresiv cu o viteza de ~5 N/min. Lungimea urmei de scratch test a fost de 4 mm

pentru fiecare probă. Rezultatele testului sunt prezentate în Tabelul 5.18.

Testul de uzură mecanică a fost realizat în atmosferă deschisă şi la temperatura

camerei, utilizând tribometrul “pin-on-disk” de la CSM Instruments, în modul rotativ, cu

vârful de încercare având diametrul de 6 mm şi poziŃionat la un unghi de 45° faŃă de suprafaŃa

probei (point-on-flat contact). Atât vârful de uzură cât şi proba au fost curăŃate ultrasonic într-

o baie cu etanol. Vârful de măsurare a uzurii este realizat din oŃel inox (AISI 100Cr6) cu

caracteristicile prezentate în Tabelul 5.18. ForŃa de apăsare a pinului a fost de 1 N, iar

condiŃiile de oprire ale tesului au fost setate la diferite valori pentru a se observa variaŃia

coeficientului de frecare cu distanŃa. Rezultatele testului sunt prezentate în Tabelul 5.18.

Tabelul 5.18. Rezultatele de nanoindentare, aderenŃă şi uzură pentru compusul

Ti+TiB2+WC depus cu şi fără zot

Nr. probă

Nanoindentare AderenŃă Uzură Hit

[GPa] Eit

[GPa]) H/E

H3/E2 [GPa]

Lc1 [N]

Lc2 [N]

Lc3 [N]

Coeficient de frecare

52 20,53 ± 9,18% 247,31±5,60% 0,08 0,14 - 0,4 ± 12,5% 6,61 ± 5,95% 0,18 ± 27%

53 22,9± 9,67% 300,38± 7,44% 0,07 0,13 0,63±3,72% 1,24 ±3,23% 7,61 ± 4,6% 0,23 ± 6,78%

Substrat (inox 304)

3,43 ± 5,31% 232.24 ±5.18% - - - - - -

Pin 4,62 ± 12,07% 209,36 ±6,50% - - - - - -

Page 37: REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate2015/MateescuAlice.pdf · rezumat tezĂ de doctorat cercetĂri privind realizarea Şi

Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)

cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

CAPITOLUL 5: Cercetări experimentale privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri

tribologice, nanometrice şi complexe, cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

35

0 20 40 60 80 1000.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

Lo

ad

(m

N)

Penetration depth (nm)

Sample 53

Sample 52

Plastic deformation Elastic deformation

Figura 5.21.

VariaŃia sarcinii de încărcare-descărcare funcŃie de adâncimea de penetrare,

pentru probele 52 şi 53

La o analiză sumară a tabelului se constată că:

- rezultatele mecanice (duritate şi coeficient de elasticitate) mai bune s-au obtinut

pentru proba 53, care nu conŃine azot în compoziŃia sa, concluzie aflată în concordanŃă cu mai

multe rezultate prezentate în literatura ştiinŃifică.

- valoarea scăzută a parametrilor de aderenŃă a celor două probe se datorează valorii

foarte reduse a durităŃii substratului (Hit ~ 3,5 GPa) în comparaŃie cu duritatea peliculelor

depuse (Hit ~ 20,5 GPa - proba 52 şi ~ 23 GPa - proba 53).

- coeficient de frecare mai scăzut la proba 52, dar variaŃia coeficientului de frecare

dinamic pentru cele două probe funcŃie de durata uzurii redată prin lungimea parcursului de

uzură din Figura 5.23.a şi b (cu mult mai mare pentru proba 53 decât pentru proba 52) pune

în evidenŃă un regim cu frecare redusă (pentru care s-a calculat valoarea medie trecută în

tabel) cu durata t1 (mult mai mare pentru proba 53 decât pentru proba 52) şi un regim cu

frecare ridicată, cu durata t2.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

Fri

cti

on

co

eff

icie

nt

Distance (m)

t1

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 5000,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

Fri

cti

on

co

eff

icie

nt

Distance (m)

t1

t2

a. Proba 52 b. Proba 53

Figure 5.23. VariaŃia coeficientului de frecare cu distanŃa (până la apariŃia uzurii intense)

Page 38: REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate2015/MateescuAlice.pdf · rezumat tezĂ de doctorat cercetĂri privind realizarea Şi

Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)

cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

CAPITOLUL 5: Cercetări experimentale privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri

tribologice, nanometrice şi complexe, cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

36

5.2.3. Realizarea şi caracterizarea topografică, compoziŃională, mecanică şi tribologică, a straturilor tribologice cu compoziŃie pseudo-ternară (TixNy+TixByNz+ WxCyNz),

respectiv cu compoziŃie pentanară (W-C-Ti-B-N) modulată, pornind de la 3 materiale de bază: WC; TiB2 şi Ti

Pentru acest studiu, plecând de la cele 3 materiale de bază (WC, TiB2 şi T) s-a realizat

proba 32 ce conŃine 6 pachete repetitive, realizate din 5 straturi cu compoziŃie pseudo-ternară

modulată (TiNx; TixByNz; WxCyNz), aşa cum se prezintă în Tabelul 5.19 şi a cărui structură

poate fi exprimată de urmatoarea relaŃie: 6 x {[(TixNy+TixByNz+WxCyNz)i]}, unde i = 1 … 5,

sau: 6x {[(TixNy+ TixByNz+WxCyNz)1/ (TixNy+TixByNz+WxCyNz)2/

(TixNy+TixByNz+WxCyNz)3/ (TixNy+TixByNz+WxCyNz)4/ (TixNy+TixByNz+WxCyNz)5]}.

Designul acestui strat cu compoziŃie pseudo-ternară, respectiv pentanară modulată si parametrii tehnologici de realizare sunt prezentaŃi in cererea de brevet de invenŃie aflată în pregatire pentru înregistrare la OSIM. Rezultatele analizei RBS prezentate în Figura 5.30, prin diagrama numărului. de

particule retroîmprăştiate (Count) în funcŃie de canalul de înregistrare, respectiv de energia

particulelor retroîmprăştiate şi înregistrate (curba roşie)-denumită şi Spectrul RBS-, scot în

evidenŃă prin cele 6 picuri foarte vizibile pentru wolfram şi 6 pentru titan, cele 6 pachete

repetitive de straturi din structura depunerii realizate cu compoziŃie modulată.

Figura 5.30. Rezultatul analizei RBS

Programul SIMNRA v6.05 de analiză a datelor RBS, calculează grosimea (respectiv

densitatea de suprafaŃă reală a stratului depus, pe baza densităŃii standard luată în calcul de

softul RBS de 1E15 atomi/cm2) a pachetelor repetitive ale depunerii, iar rezultatele acestei

analize sunt prezentate sintetic in Tabelul 5.21.

Page 39: REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate2015/MateescuAlice.pdf · rezumat tezĂ de doctorat cercetĂri privind realizarea Şi

Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)

cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

CAPITOLUL 5: Cercetări experimentale privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri

tribologice, nanometrice şi complexe, cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

37

EvidenŃierea grafică, din Fig. 5.31, a structurii stratului depus cu cele 6 pachete

componente de straturi repetitive, precum şi evaluarea grosimii acestora s-a efectuat prin

realizarea unei secŃiuni transversale în stratul depus (după depunerea unui strat protector de

platină), cu ajutorul unui fascicul dublu de prelucrare (FIB) al unei instalaŃii complexe de

microscopie electronică cu baleiaj (SEM with Focused Ion Beam/ SEM-FIB).

Figura 5.31

Sectiune transversală realizată cu sistemul FIB al echipamentului SEM şi măsurată cu SEM; (tip TESCAN Lyra 3 FEG de la JEOL).

Tabelul 5.21. Rezultatele RBS

Material TiN/ TixNy TiB2N/ TixByNz WCN/ WxCyNz

Densitate [g/cm3] 5,22 2,56 7,54

Aria densităŃii reale per strat [1E15 atoms/cm2]

90 100 900

Grosime per strat [nm] 8,85 13,53 138,61

Grosme totală pentru cele 6 straturi TTiN + TTiB2N + TWCN = 161 nm Ttotal = 161 x 6 = 966 nm

De asemenea, softul RBS tip SIMNRA v6.05 asigură şi determinarea stoechiometriei

(compoziŃiei procentuale a elementelor chimice) a fiecărui pachet repetitiv din structura

stratului depus cu ajutorul curbei simulate (de culoare albastră). Stoechiometria optimă găsită

(corespunzătoare curbei albastre) pentru un pachet repetitiv, care se apropie cât mai mult de

spectrul RBS obŃinut (curba roşie) este: W0.33C0.34N0.35; Ti0.25B0.55N0.2; Ti0.6N0.4.

Pentru determinarea durităŃii prin nanoindentare cu AFM s-a realizat o matrice din 4

amprentări, realizate în diferite puncte ale suprafeŃei analizate, folosind aceeaşi forŃă de

apăsare (F = 197 µN) pentru un vârf de indentare din diamant. În Figura 5.32 se prezintă

imaginea suprafeŃei amprentate şi o secŃiune transversală prin 2 puncte de amprentare,

reprezentate una cu roşu şi cealaltă cu verde. Duritatea este calculată pentru fiecare

amprentare prin împărŃirea forŃei de apăsare maxiaă (F) la proiecŃia ariei amprentei, iar

valorile obŃinute sunt prezentate în Figura 5.33. Valoarea medie a nanodurităŃilor obŃinute este

de 23 GPa ((20,5+21+20+21+25+26,8+27+28)/7 ≈23).

Page 40: REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate2015/MateescuAlice.pdf · rezumat tezĂ de doctorat cercetĂri privind realizarea Şi

Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)

cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

CAPITOLUL 5: Cercetări experimentale privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri

tribologice, nanometrice şi complexe, cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

38

Din secŃiunea transversală (Figura 5.32), dar şi din curba de evaluare a nanodurităŃii

(Figura 5.33) se observă că adâncimea maximă realizată de vârful de indentare/ amprentare

nu depăşeste 23 nm (cu 2 excepŃii), ceea ce înseamnă că prin nanoindentare s-a determinat

practic duritatea stratului de la suprafaŃă din WxCyNz, a cărui grosime conform măsurătorilor

RBS este de 138,61 nm/ 6 = 23,2 nm.

18 19 20 21 22 23 24 25 26 27

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28 (Ti/TiB2/WC)N2 650°

ha

rdn

es

s

(MP

a)

depth (nm)

Figura 5.32. SecŃiune transversală Figura 5.33. VariaŃia nanodurităŃii

prin 2 amprente de nanoindentare cu adâncimea de indentare

Pentru măsurarea durităŃii cu trusa CSM au fost efectuate 14 teste de indentare iar

valorile medii ale rezultatelor obŃinute sunt prezentate în Tabelul 5.22.

Tabelul 5.22. Rezultatele testului de indentare realizat cu trusa CSM

Duritate Elasticitate Rezultate suplimentare

HIT HV EIT Er E* Fmax hmax S hc hr hp

[GPa] Vikers [GPa] mN nm mN/nm nm nm nm 19,264 1784,043 252,164 222,846 277,111 4,49 107,18 0,1226 80,59 71,79 50,18

Duritatea evaluată prin microindentare a avut valori între 23,750 GPa şi 17,294 GPa,

iar modulul de elasticitate a variat între 295,290 GPa şi 212,380 GPa. Adâncimea de penetrare

(hmax) este mai mare decât grosimea stratului de suprafaŃă (W0.33C0.34N0.35) cu grosime de 23,2

nm, dar mult mai mică decât grosimea totală a depunerii (fiind uşor sub grosimea unui pachet,

estimată prin RBS la 966 nm / 6 = 161 nm). Indicele de elasticitate calculat (H / E) este

0,076, iar rezistenŃa la deformare plastică obŃinută H3 / E2 = 0,112 GPa.

Rezultatele obŃinute pentru prima delaminare sunt prezentate în Tabelul 5.23.

Table 5.23. Rezultatul testului de zgâriere

Sarcină critică/ AderenŃă Lc1 = Prima fisură

Lc2 = Prima delaminare Lc3 = Exfoliere a ma mult de 50% din strat

ForŃă normală

ForŃă de frecare

Adâncime de penetrare

N N N nm Lc2 = 0,413 0 - 5 0 -0,5 0 -1267-0

Page 41: REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate2015/MateescuAlice.pdf · rezumat tezĂ de doctorat cercetĂri privind realizarea Şi

Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)

cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

CAPITOLUL 5: Cercetări experimentale privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri

tribologice, nanometrice şi complexe, cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

39

5.3. Realizarea şi caracterizarea din punct de vedere morfologic, structural, compoziŃional şi mecanic a straturilor subŃiri tribologice, complexe cu compoziŃie pseudocuaternară (Ti/TixNy; TiB2/TixByNz; WC/WxCyNz; WS2/WxSyCz), respectiv cu

compoziŃie pentanară (Ti-W-C-B-S) şi sixnară (Ti-W-C-B-S-N), realizate prin pulverizare magnetron, standard/ reactiv, din 4 materiale de bază: WC; TiB2; Ti; WS2

Din cele 4 materiale de bază (Ti; TiB2; WC şi WS2) s-au realizat:

1. prin pulverizare magnetron standard, straturi subŃiri tribologice cu structură de

strat unic cu compoziŃie pentanară (Ti-B-W-C-S), respectiv pseudo-cuaternară

[1x(Ti+TiB2+WC+WS2)] constantă (proba 39).

2. prin pulverizare magnetron de tip reactiv (cu N2) straturi subŃiri tribologice cu:

a. structură multiplă de multistrat şi compoziŃie sixnară (Ti-B-W-C-S-N), respectiv

pseudo-cuaternară, din 5 pachete repetitive a câte 4 straturi din

TixNy/TixByNz/WxCvNz/WxSyNz cu compoziŃie constantă pe fiecare strat (proba

42: 4x[TixNy/TixByNz/WxCvNz/WxSyNz])

b. structură multiplă de multistrat şi compoziŃie sixnară (Ti-B-W-C-S- N) din 6

pachete repetitive a câte 5 straturi fiecare cu o compoziŃie variabilă (modulată) în

fiecare strat (Proba 40:

6x{[(TixNy+TixByNz+WxCyNz+WxSyNz)1/(TixNy+TixByNz+WxCyNz+

WxSyNz)2/(TixNy+TixByNz+WxCyNz+WxSyNz)3/TixNy+TixByNz+WxCyNz+WxSyNz)4/

(TixNy+TixByNz+WxCyNz+ WxSyNz)5]})

5.3.1. Parametrii de proces pentru realizarea acoperirilor tribologice

Parametrii de proces pentru realizarea acoperirilor tribologice cu compoziŃie pseudo-

cuaternară respectiv cu compoziŃie pentanară şi sixnară sunt prezentaŃi în Tabelul 5.24.

Tabelul 5.24. Parametrii procesului de lucru pentru depunerea probelor cu compoziŃie

pseudo-cuaternară respectiv cu compoziŃie pentanară şi sixnară

Nr. Probă

Materiale Presiune de lucru [mbar]

Debit gaze de lucru

Putere de alimentare a

magnetroanelor [%Pmax]

Durata depunerii

[min] łinte Straturi depuse Ar N2

cm3/min

1 (39)

Ti /

TiB2/ WC/ WS2

1 x (Ti + TiB2 + WC + WS2)

3.4 x 10-3

150

0

1 x (10 + 20 + 20 + 16)

55

2 (42)

Ti /

TiB2/ WC/ WS2

5 x (TixNy/

TixByNz/ WxCyNz/ WxSyNz)

2.4 x 10-3 110 80

5 x (15 + 30 + 30 + 20)

100 (5 min. pe strat)

Page 42: REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate2015/MateescuAlice.pdf · rezumat tezĂ de doctorat cercetĂri privind realizarea Şi

Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)

cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

CAPITOLUL 5: Cercetări experimentale privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri

tribologice, nanometrice şi complexe, cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

40

3 (40)

Ti /

TiB2/ WC/ WS2

6x { [TixNy + TixByNz + WxCyNz + WxSyNz]1

/ [TixNy +

TixByNz + WxCyNz + WxSyNz]2

/ [TixNy +

TixByNz + WxCyNz + WxSyNz]3

/ [TixNy +

TixByNz + WxCyNz + WxSyNz]4

/ [TixNy +

TixByNz + WxCyNz + WxSyNz]5}

2.4 x 10-3 110 80

6 x 45 + 5 + 5 + 5

30 + 30 + 10 + 10

20 + 45 + 20 + 23,3

10 + 30 + 30 + 25

5 + 5 + 45 + 30

180 (6 min. pe strat)

5.3.2. Determinarea durităŃii şi a modulului de elasticitate prin indentare

În vederea măsurării durităŃii şi a modulului de elasticitate s-au efectuat mai multe teste

de indentare pentru fiecare probă. Valorile medii calculate sunt prezentate în Tabelul 5-25

Tabelul 5.25. Rezultatele şi parametrii testului de indentare

Nr Probă

Duritate Modul de elasticitate Rezultate suplimentare

HIT HV EIT Er E* Fmax hmax S hc hr hp

[GPa] Vikers [GPa] mN nm mN/nm nm nm nm

1 (39)

12,359 1144,572 208.399 190,367 291,620 1,56 73,20 0,0788 58,15 53,01 40,91

2 (42)

5,033 466,096 232,388 180,069 214,163 0,79 72,73 0,0828 65,81 63,35 56,55

3 (40)

3,861 357,587 217,430 196,885 238,975 1,16 101,35 0,1257 94,23 91,73 85,60

5.3.3. Determinarea aderenŃei (sarcinilor critice) prin testul de zgâriere AderenŃa probelor (Tabelul 5.26) a fost investigată prin metoda zgârierii, folosind

microtesterul la care forŃa de apăsare este redusă (0-30 N), pentru a permite analiza acoperirilor

dure, dar şi a celor soft, în vederea funizării valorilor sarcinilor critice Lc1, Lc2 şi Lc3.

Pentru fiecare probă s-au realizat câte 3 teste de zgâriere, utilizând aceleaşi setări ale

echipamentului, iar rezultatele, iar valorile medii sunt prezentate în Tabelul 5.26.

Page 43: REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate2015/MateescuAlice.pdf · rezumat tezĂ de doctorat cercetĂri privind realizarea Şi

Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)

cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

CAPITOLUL 5: Cercetări experimentale privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri

tribologice, nanometrice şi complexe, cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

41

Tbelul 5.26. Rezultatele testului de zgâriere

Nr. Probă

Sarcini critice/ AderenŃă

Lc1 [N] Lc2 [N] Lc3 [N]

1(39) 0.467 0.683 6.96

2(420 - 0.487 6.073

3(40) - - 6.397

5.3.4. Determinarea coeficientului de frecare prin metoda tribometrului Ball-on-Disc

Testul de uzură s-a efectuat în condiŃii normale de mediu (temperatură: 24 0C;

umiditate: 32 %; rată de achizitie: 200 Hz) cu un tribometru Ball-on-Disc, prevăzut cu o bilă

în rotaŃie, din oŃel-100Cr cu diametru de: 6, 8, 10 sau 12 mm şi cu o sarcină de apăsare de 1 N.

Pentru probele 1 şi 3 s-au efectuat 2 teste, iar pentru proba 2 s-au efectuat 3 teste.

Rezultatele obŃinute sunt prezentate în Tabelul 5.27 şi în Figura 5.39.

Proba 1 Proba 2 Proba 3

Co

efi

cie

nt

de

fre

ca

re

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

Figura 5.39. Coeficientul de frecare

5.3.5. Concluzii privind duritatea, tenacitatea, aderenŃa şi coeficientul de frecare la probele analizate (39, 42 si 40)

Din analiza caracteristicilor mecanice obŃinute se observă că valorile cele mai bune au

fost obŃinute pentru proba 1(39) cu structură de strat unic şi compoziŃie pentanară (Ti-B-W-C-

S), respectiv pseudo-cuaternară [1x(Ti+TiB2+WC+WS2)] constantă, aşa cum este prezentat

comparativ şi în Figura 5.43.

Concluziile privind caracteristicile mecanice şi tribologice ale celor 3 probe sunt

prezentate şi printr-un tabel comparativ (Tabel 5.28) al durităŃii, modulului de elasticitate şi

coeficientului de frecare, obŃinuŃi pentru acestea şi raportaŃi la valorile existente în literatura

ştiinŃifică de specialitate pentru materialele componente ale probelor.

Page 44: REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate2015/MateescuAlice.pdf · rezumat tezĂ de doctorat cercetĂri privind realizarea Şi

Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)

cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

CAPITOLUL 5: Cercetări experimentale privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri

tribologice, nanometrice şi complexe, cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

42

Proba 1 Proba 2 Proba 3

Re

zis

ten

ta l

a d

efo

rma

re p

las

tic

a [

GP

a]

0

2

4

6

8

10

12

14

Proba 1 Proba 2 Proba 3

Mo

du

l d

e e

las

tic

ita

te[G

Pa

]

0

50

100

150

200

250

a. Duritatea pentru cele 3 probe b. Modulul de elasticitate pentru cele 3 probe

Proba 1 Proba 2 Proba 3

Ind

ice

de

ela

sti

cit

ate

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

Proba 1 Proba 2 Proba 3

Re

zis

ten

ta la

de

form

are

pla

sti

ca

[G

Pa

]0.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

c. Indicele de elasticitate (H/E) d. RezistenŃa la deformare plastică (H3/E

2)

Lc1 Lc2 Lc3

Sa

rcin

a c

riti

ca

[N

]

0

2

4

6

8

Proba 1

Proba 2

Proba 3

minim mediu maxim

Co

efi

cie

nt

de

fre

ca

re

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

Proba 1

Proba 2

Proba 3

e. Sarcina critică f. Coeficientul de frecare

Figura 5.43. Prezentarea comparativă a caracteristicilor mecanice şi tribologice

Tabelul 5.28. Parametrii mecanici şi tribologici obŃinuti pentru cele 3 probe şi ai

materialelor componente conform referinŃelor

Parametrii masuraŃi

Materiale individuale Proba

WS2 Ti TiN WC TiB2 1 2 3

Duritate [GPa]

15.3 [13] ; 5.8 [14] 2.4 - 3.4 [15] 31 [16] 14.6 - 23.6 [17] 22 - 2 [18] 12 5 3.8

Modul de elasticitate

[GPa] 166 [13] 100 - 125 [15]

300 - 400 [16]

259 - 350 [17] 570 - 360

[18] 208 232 217

Coeficient de frecare

0.62 - 0.78 [13] - 0.65 - 0.70

[19] 0.15 - 0.35 [17]

0.75 - 0.80 [18]

0.204 0.617 0.656

[x]- Reprezinta nr. Din Bibliografia articolului publicat.

Page 45: REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate2015/MateescuAlice.pdf · rezumat tezĂ de doctorat cercetĂri privind realizarea Şi

Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)

cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

43 CAPITOLUL 5: Cercetări experimentale privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri

tribologice, nanometrice şi complexe, cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

5.4. Concluzii generale privind caracteristicile funcŃionale (mecanice şi tribologice) ale straturilor subŃiri tribologice pseudo-ternare/ cuaternare, studiate în această lucrare

În Figura 5.44 se prezintă, pentru cele 12 probe cu structură complexă studiate în

această lucrare (la subcapitolele: 5.2.1.; 5.2.2.; 5.2.3. si 5.3.), caracteristicile funcŃionale (mecanice şi tribologice), redate de parametrii: H, E, H/E, H3/E2, LCi şi CF.

Proba

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Du

rita

te [

GP

a}

0

5

10

15

20

25

Proba

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Mo

du

l de

ela

sti

cit

ate

[G

Pa

}

0

50

100

150

200

250

300

350

a. Duritate (H) b. Modulul de elasticitate (E)

Proba

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Ind

ice

le d

e e

las

tic

ita

te

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

Proba

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Re

zis

ten

ta la

de

form

are

pls

tic

a [

GP

a}

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

0,16

c. Indice de elasticitate (H / E) d. RezistenŃă la deformare plastică (H3/E2)

Lc1 Lc2 Lc3

Sa

rcin

a c

riti

ca

[N

]

0

2

4

6

8

10

Proba

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Co

efi

cie

nt

de

fre

ca

re

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

e. Sarcină critică (LCi) f. Coeficient de frecare (CF)

Figura 5.44. Prezentarea comparativă a caracteristicilor funcŃionale pentru straturile

tribologice cu compoziŃie pseudo-ternară/ cuaternară

CompoziŃia celor 12 probe din Figura 5.44 se identifică uşor pe baza legendei de mai jos.

Page 46: REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate2015/MateescuAlice.pdf · rezumat tezĂ de doctorat cercetĂri privind realizarea Şi

Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)

cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

44 CAPITOLUL 5: Cercetări experimentale privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri

tribologice, nanometrice şi complexe, cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

LEGENDA

În urma analizei datelor experimentale se constată că valorile cele mai bune ale

caracteristicilor mecanice şi tribologice (prezentate în Tabelul 5.29.), s-au obŃinut pentru

probele: 8 (53); 7(52); 2 (27) ; 6 (25) .

Aşa cum era de aşteptat este aproape imposibil ca o probă să aibă valorile cele mai

bune la toate caracteristicile funcŃionale, deoarece acestea pot avea acŃiuni contrare (ca de

exemplu: duritatea foarte mare conduce la creşterea coeficientului de frecare şi la reducerea

elasticităŃii, etc.). Astfel, deşi probele 7 şi 8 sunt probele cu cele mai multe caracteristici

mecanice foarte bune, nu au şi cel mai scăzut coeficient de frecare. Coeficientul de frecare cel

mai redus s-a obŃinut pentru multistratul cu compoziŃie pseudo-ternară constantă cu 5 pachete

repetitive a câte 3 straturi constituente fiecare, depus în totalitate în atmosferă de azot.

Pentru o evaluare mai corectă a calităŃilor de strat tribologic pe bază de criterii

obiective şi cuantificabile se prezintă mai jos un tabel comparativ de clasificare a probelor

(Tabel 4.37), din care rezultă clar că cele mai bune caracteristici funcŃionale le au probele

7(52) şi 8(53), cu compozite cuaternară (Ti-W-C-B; proba 53) şi pentanară (Ti-W-C-B-N;

proba 52) şi grosime mărită (peste 1,3 µm), dar Ńinând cont şi de comportarea la uzură a celor

2 probe, rezultă clar că proba 53 are cea mai bună comportare tribologică.

Tabelul 5.29. Clasificarea probelor

Caracteristică mecanică Probă calificată pe

Locul 1 Locul 2 Locul 3

Duritate 8 7 9 Modul de elasticitate 8 9 7 Indice de elasticitate 7 9 8 RezistenŃă la deformare plastică 7 8 9 Sarcină critică 2 8 7 Coeficient de frecare 6 7 9

Page 47: REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate2015/MateescuAlice.pdf · rezumat tezĂ de doctorat cercetĂri privind realizarea Şi

Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)

cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

45 CAPITOLUL 6: ContribuŃii originale şi concluzii

CAPITOLUL 6

6. ContribuŃii originale şi concluzii

6.1. Contributiile originale, teoretice şi practice, ale tezei de doctorat în domeniul straturilor subŃiri nanometrice cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

şi al direcŃiilor de dezvoltare viitoare al acoperirilor tribologice

Teza de doctorat “Cercetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri

nanometrice cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate” are un puternic caracter

experimental. În prima parte a lucrării (Introducere, Capitolele 1 şi 2), se realizează o

sinteză originală (pe baza lucrărilor din bibliografie, dar şi cu multiple contribuŃii proprii) a

cunoştiinŃelor teoretice şi practice existente astăzi, atât din domeniul realizării straturilor

subŃiri depuse în vid cu structură nanometrică prin metoda pulverizării catodice tip magnetron

(care constituie cea mai folosită şi mai performantă metodă de realizare a straturilor subŃiri

cu utilizări în tehnologia materialelor avansate), cât şi în domeniul caracterizării

morfologice, compoziŃionale, mecanice şi tribologice ale acestor straturi, în vederea evaluării,

îmbunătăŃirii şi optimizării proprietăŃilor lor funcŃionale.

Cea de a doua parte a lucrării (Capitolele 3, 4, 5 şi 6) conŃine contribuŃiile originale

ale autoarei acestei lucrări la realizarea de acoperiri tribologice cu noi structuri şi noi

compoziŃii bazate pe brevetele şi cererile de brevet de inventive, obtinute şi în curs de analiză.

Din multitudinea de aplicaŃii prezente şi de viitor ale straturilor subŃiri depuse în vid

cu utilizări în tehnologia materialelor avansate, lucrarea a analizat dintr-un punct de vedere

original, acoperirile tribologice, care se află în topul cercetărilor actuale din domeniile

prioritare ale Programelor Uniunii Europene de Cercetare-Dezvoltare-Inovare, (precum:

“Nanotehnologii şi materiale avansate” din HORIZON 2020 sau “Materials with new

surfaces and coatings” din M-ERA.NET), dar şi din Programul National de C-D-I (PNCDI-2).

În faza de documentare pentru realizarea tezei de doctorat au fost elaborate şi depuse

la OSIM, în 2011, 5 cereri de brevete de invenŃie, din domeniul acoperirilor tribologice,

pentru care au fost acordate de OSIM în 2013 (1 brevet) şi 2014 (4 brevete)..

Prin aceste brevete de invenŃie sunt certificate la cel mai înalt nivel contribuŃiile

originale aduse la dezvoltarea domeniului acoperirilor tribologice.

Sunt definite, de asemenea, noi direcŃii de cercetare în domeniul acoperirilor

tribologice, dupa cum se va vedea în cele ce urmează.

Tematica tezei de cercetare este nouă şi originală atât din punct de vedere al

compoziŃiei straturilor depuse, cât şi din punct de vedere al structurii acestora. Astfel, până în

prezent în literatura ştiinŃifică nu au fost publicate încă lucrări de cercetare pentru straturi

Page 48: REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate2015/MateescuAlice.pdf · rezumat tezĂ de doctorat cercetĂri privind realizarea Şi

Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)

cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

46 CAPITOLUL 6: ContribuŃii originale şi concluzii

tribologice complexe cu cele 3 materiale (Ti; WC; TiB2) şi nici cu cele 4 materiale (Ti; WC;

TiB2; WS2) utilizate în această teză de docorat, materiale care permit realizarea de straturi

tribologice complexe cu structura cuaternară (Ti-W-C-B), pentanară (Ti-W-C-B-N) sau sixnară

(Ti-W-C-B-N-S), respectiv pseudo-ternară (Ti/TiN-WC-TiB2; TiN/WCN/TiBN) sau pseudo-

cuaternară (Ti/TiN-WC-TiB2-WS2).

Prin tematica şi obiectivele sale, teza de doctorat aduce o contribuŃie importantă la

dezvoltarea stadiului actual al acoperirilor tribologice şi la validarea unor direcŃii noi de

cercetare în domeniul acoperirilor tribologice, precum straturile tribologice cu următoarele structuri:

1. Strat unic complex (monostrat), cu compoziŃie constantă şi structură nanometrică

(cu dimensiunea grăunŃilor cristalini sub 100 nm) din materiale chimice compuse,

dopate sau nedopate cu metale/ nemetale;

2. Strat unic complex, cu compoziŃie constantă/ graduală şi structură nanometrică,

din materiale chimice compuse, dopate sau nedopate cu metale sau nemetale;

3. Strat unic complex, cu structură nanocompozită;

4. Strat multiplu (multistrat) nanostructurat (cu grosimea straturilor componente mai

mică de 100 nm/ dimensiunea grăunŃilor de cristalizare mai mică de 100 nm);

5. Multistrat cu structură superlattice (cu grosimea straturilor componente < 10 nm).

6. Multistrat cu compoziŃie modulată (structură cu pachete de straturi repetitive, cu

compoziŃie modulată/ variabilă) şi nanostructurată.

Cercetările realizate în cadrul tezei au certificat faptul că:

A. Pentru o anumită aplicaŃie tribologică, care are condiŃii de lucru şi de mediu impuse

(temperatură, presiune, sarcină de apăsare în contact, viteză de alunecare sau de rotaŃie,,

prezenŃa gazelor corozive, etc.) trebuie alese corect: metoda de depunere a acoperirii şi

tipurile de materiale utilizate, deoarece acestea au o mare influenŃă asupra duratei de viaŃă,

(dată de rezistenŃa la uzură) şi asupra preŃului acoperirii cuplei de frecare.

B. Răspunsul cuplei de frecare (sistemului tribologic) format dintr-un substrat acoperit

şi o contrapiesă metalică sau nemetalică acoperită sau neacoperită este redat prin coeficientul

de frecare (CF) al sistemului, ce depinde de următorii factori:

1. proprietăŃile substratului (rugozitate, duritate, tenacitate, stare de curăŃare);

2. proprietăŃile contrapiesei de frecare (rugozitate, duritate, tenacitate);

3. proprietăŃile stratului de acoperirie a substratului (aderenŃă, duritate, tenacitate,

porozitate; rezistenŃă la oxidare termică; rezistenŃă la coroziune chimică) care depind

în principal de metoda de depunere utilizată.

Page 49: REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate2015/MateescuAlice.pdf · rezumat tezĂ de doctorat cercetĂri privind realizarea Şi

Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)

cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

47 CAPITOLUL 6: ContribuŃii originale şi concluzii

În acord cu brevetul de invenŃie nr. 128094/30.09.2014 (autori: Alice-Ortansa

Mateescu şi Gheorghe Mateescu), materialele utilizate pentru realizarea acoperirilor

tribologice trebuie să îndeplinească (în acord cu condiŃiile de lucru) următoarele 6 proprietăŃi

complementar-cumulative, ce definesc şi caracterizează acoperirile tribologice:

1. Coeficient de frecare scăzut;

2. Duritate ridicată;

3. Tenacitate ridicată;

4. AderenŃă bună la substrat;

5. Conductivitate termică ridicată;

6. RezistenŃă înaltă la coroziune şi la oxidare termică (stabilitate termică şi chimică).

Cele 6 proprietăŃi tribologice esenŃiale şi complementar-cumulative, pe care trebuie să

le indeplinească sau să le asigure materialele utilizate pentru realizarea acoperirilor tribologice

complexe, pot fi îndeplinite, potrivit cererii de brevet de invenŃie 1075/28.12.2012 (autori:

A.O. Mateescu si G. Mateescu): teoretic – de 6 materiale diferite, care îndeplinesc individual

cele 6 proprietăŃi complementar-cumulative maximale, dar practic şi optim (din punct de

vedere tehnologic şi de costuri de realizare) – de 2, 3 sau 4 materiale, deoarece anumite

materiale asigură simultan mai multe cerinŃe din cele 6 cerinŃe de bază ale materialelor

tribologice prezentate anterior.

Alegerea numărului de materiale din compoziŃia straturilor tribologice graduale şi

complexe se face, potrivit brevetelor de invenŃie ale autoarei acestei teze, pe baza

complementarităŃii proprietăŃilor acestora, dar Ńinând cont şi de:

1. condiŃiile de mediu ale cuplei de frecare (temperatură, presiune, umiditate, etc.);

2. sarcina de apăsare a cuplei de frecare;

3. costurile de realizare.

Criteriile de optimizare a numărului de materiale, respectiv de straturi componente

dintr-o acoperire tribologică multicomponent, repectiv multistrat, care să îndeplineacă cele 6

proprietăŃi esenŃiale ale acoperirilor tribologice, sunt descrise prin exemple concrete în

brevetele de invenŃie nr. 127961/30.12.2013 si 128094/30.09.2014 (Autori: Alice-Ortansa

Mateescu şi Gheorghe Mateescu), prezentate succint în sub-capitolul 6.2.5 din Teză.

6.2. Exemple concrete de contribuŃii originale ale autoarei tezei de doctorat în domeniul

straturilor subŃiri nanometrice cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate şi de diseminare a rezultatelor

Page 50: REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate2015/MateescuAlice.pdf · rezumat tezĂ de doctorat cercetĂri privind realizarea Şi

Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)

cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

48 CAPITOLUL 6: ContribuŃii originale şi concluzii

ContribuŃiile ştiinŃifice concrete ale autoarei acestei teze la dezvoltarea domeniului

straturilor subŃiri nanometrice cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate sunt validate de

lumea ştiinŃificã a domeniului şi prin:

1. brevetele de invenŃie (Cap. 6.2.1);

2. aricolele publicate în reviste cotate ISI (Cap. 6.2.2);

3. lucrările prezentate la conferinŃe internaŃionale (Cap. 6.2.3);

4. diplomele şi medaliile obŃinute la saloanele internaŃionale de inventică (Cap. 6.2.3).

6.2.1. Lista brevetelor de invenŃie şi a cererilor de brevet de invenŃie

din domeniul tezei de doctorat

1. G. Mateescu, A. O. Mateescu – Compus lubrifiant şi antiuzură din bisulfură de wolfram,

carbon şi metal, Brevet de invenŃie nr. 127963 / 30.12.2014

2. A. O. Mateescu, G. Mateescu – Material multistrat de acoperire cu proprietăŃi tribologice

şi procedeu de obŃinere a acestuia, Brevet de invenŃie nr. 128094 / 30.09.2014

3. G. Mateescu, A. O. Mateescu – Compus lubrifiant şi antiuzură din bisulfură de wolfram şi

carbon, Brevet de invenŃie nr. 127962 / 30.09.2014

4. G. Mateescu, A. O. Mateescu – Metodă de acoperire a pieselor metalice cu straturi

subŃiri lubrifiante, Brevet de invenŃie nr. 128144 / 30.06.2014

5. G. Mateescu, A. O. Mateescu – Compus lubrifiant şi antiuzură pe bază de bisulfură de

wolfram, de acoperire a unui substrat metalic, Brevet de invenŃie nr. 127961/

30.12.2013

6.2.2. Lista articolelor din domeniul tezei de doctorat, publicate în reviste cotate ISI

1. A. O. Mateescu, V. Jinga, D. Cristea, G. Mateescu, I. Burducea, C. Ionescu, L.S.

Craciun, I. Ghiuta, C. Samoila, D. Ursutiu, D. Munteanu – „Compositional,

morphological and mechanical investigations of monolayer type coatings obtained by

standard and reactive magnetron sputtering from Ti, TiB2 and WC” – acceptat pentru

publicare, J. Appl. Surf. Sci., APSUSC-D-15-03314R1

2. A. O. Mateescu, G. Mateescu, V. Jinga, D. Cristea, C. Samoila, D. Ursutiu, D. Munteanu

– „Physical and technological interpretation of mechanical properties for single and

multi-layer films with properties of dry lubricants” – J Optoelectron. Adv. M. Vol. 17,

No. 7-8, July – August 2015, p. 1152 – 1160

3. A. O. Mateescu, G. Mateescu, A. Balan, I. Stamatin, V. Jinga, C. Samoila, D. Ursutiu –

“Thin Films based on Tungsten Carbide with Binary, Ternary and Quaternary

Page 51: REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate2015/MateescuAlice.pdf · rezumat tezĂ de doctorat cercetĂri privind realizarea Şi

Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)

cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

49 CAPITOLUL 6: ContribuŃii originale şi concluzii

Composition, Obtained by Magnetron Sputtering” – Key Engineering Materials Vol. 660

(2015) pp 138-142, doi:10.4028/www.scientific.net/KEM.660.138

4. V. Jinga, D. Cristea, A. O. Mateescu, C. Samoila, D. Ursutiu, G. Mateescu, D.

Munteanu – "Dry lubricant materials deposited by magnetron sputtering and friction

coefficients evaluation”, Key Enginering Materials, Volume 660 (2015), p.75-80,

doi:10.4028/www.scientific.net/KEM.660.75

5. V. Jinga, A. O. Mateescu, G. Mateescu, L. S. Craciun, C. Ionescu, C. Samoila, D.

Ursutiu, D. Munteanu, D. Cristea – “Mechanical and tribological behaviour of the

multilayer dry lubricant coatings with ternary composition from compound materials

(TixNy; TiB2/TixByNz; WC/WxCyNz)”– J Opt. Adv. M. Vol. 17, No. 5-6, M.-J. 2015, p. 773-779

6. A. O. Mateescu, A. Balan, G. Mateescu, I. Stamatin, C. Samoila, D. Ursutiu, V. Nascov,

“Microstructure & corrosion resistence for W-C-Ti-N layer deposited by reactive

magnetron sputtering”, Digest J. of Nanomat. & Biotech., Vol. 10, No. 2, April - June

2015, p. 437 – 443

7. C. Besleaga, A. C. Galca, C. F. Miclea, I. Mercioniu, M. Enculescu, G. E. Stan, A. O.

Mateescu, V. Dumitru and S. Costea – “Physical properties of AlxIn12xN thin film

alloys sputtered at low temperature” – Journal of Applied Physics 116, 153509 (2014)

6.2.3. Lista lucrărilor din domeniul tezei de doctorat,

prezentate la conferinŃe internaŃionale

1. A. O. Mateescu, G. Mateescu, L. S. Craciun, C. Ionescu, I. Burducea – " Tribological

nanostructured multilayer thin films from compound materials characterized by AFM

and RBS” – 15th International Balkan Workshop on Applied Physics, 2-4th July 2015,

Constanta, Romania

2. A. O. Mateescu, G. Mateescu, A. Balan, I. Stamatin, V. Jinga, C. Samoila, D. Ursutiu –

“Thin Films based on Tungsten Carbide with Binary, Ternary and Quaternary

Composition, Obtained by Magnetron Sputtering” – International Conference on

Innovative Research, Euroinvent 2015, 14-15 May 2015, Iasi, Romania

3. V. Jinga, D. Cristea, A. O. Mateescu, C. Samoila, D. Ursutiu, G. Mateescu, D.

Munteanu – "Dry lubricant materials deposited by magnetron sputtering and friction

coefficients evaluation” – International Conference on Innovative Research, Euroinvent

2015, 14-15 May 2015, Iasi, Romania

4. V. Jinga, D. Cristea, A. O. Mateescu, C. Samoila, D. Ursutiu, G. Mateescu, D. Munteanu

– „Physical and technological interpretation of mechanical properties for single and

Page 52: REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate2015/MateescuAlice.pdf · rezumat tezĂ de doctorat cercetĂri privind realizarea Şi

Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)

cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

50 CAPITOLUL 6: ContribuŃii originale şi concluzii

multi-layer films with properties of dry lubricants” – 9th Internation Conference on

Materials Science and Engineering, 5-7 March 2015, Brasov, Romania

5. V. Jinga, D. Cristea, C. Samoila, D. Ursutiu, A. O. Mateescu, G. Mateescu, D. Munteanu

– "Friction coefficients obtained for nanometrical layers deposited by PVD technology,

having dry lubrication properties” – 9th Internation Conference on Materials Science

and Engineering, 5-7 March 2015, Brasov, Romania

6. A. O. Mateescu, G. Mateescu, C. Samoila, D. Ursutiu, D. Munteanu, D. Cristea, V. Jinga

– "Tribological tests for nanostructured dry lubricant multi-layer coatings" –

5th International Conference on Materials Science and Technologies, RoMat 2014, 15-

17th October 2014, Bucharest, Romania,

7. A. O. Mateescu, G. Mateescu, L. Craciun, C. Ionescu, I. Burducea – "Morphological and

compositional investigations of the tribological coatings with ternary composition from

compound materials, obtained by DC magnetron sputtering deposition method" – S1

P01, 14th International Balkan Workshop on Applied Physics, 2-4th July 2014,

Constanta, Romania,

8. A. O. Mateescu, G. Mateescu, L. Craciun, C. Ionescu, C. Samoila, D. Ursutiu, D.

Munteanu, D. Cristea, V. Jinga – "Mecanical and tribological behaviour of the

multilayer dry lubricant coatings with ternary composition from compound materials

(TixNy; TiB2/ TixByNz; WC/ WxCyNz) " – S1 P02, 14th International Balkan Workshop on

Applied Physics, 2-4th July 2014, Constanta, Romania

6.2.4. Diplome şi medalii din domeniul tezei de doctorat

obŃinute la competiŃii internaŃionale de brevete

1. Diploma and Gold Medal – Lubricant and wear resistant compound based on tungsten

disulfide for metallic substrate coating, EOROINVENT 2015, European Exhibition of

Creativity and Innovation, Iaşi, România,

2. Diploma de ExcelenŃă şi Medalia de Aur – Compus lubrifiant si antiuzura din bisulfura de

wolfram, carbon si metal, Salonul InternaŃional de Inventică ProInvent, EdiŃia a XII-a,

2014, Cluj-Napoca, România

3. Diploma de ExcelenŃă şi Medalia de Argint – Material multistrat de acoperire cu

proprietãŃi tribologice şi procedeu de obŃinere a acestuia, Salonul InternaŃional de

Inventică ProInvent (ProInvent), EdiŃia a XII-a, 2014, Cluj-Napoca, România

4. Diploma şi Medalia EUROINVENT – Compus lubrifiant şi antiuzurã din bisulfura de

wolfram, carbon şi metal, ProInvent, EdiŃia a XII-a, 2014, Cluj-Napoca, România

Page 53: REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate2015/MateescuAlice.pdf · rezumat tezĂ de doctorat cercetĂri privind realizarea Şi

Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)

cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

Bibliografie-selectivă 51

BIBLIOGRAFIE -selectivă

Bibliografie - Introducere

[1]. B. Bhushan, John Wiley & Sons, Principles and applications of tribology, New York, 1999

[2]. Basic of friction, http://www.stle.org/resources/lubelearn/friction/

[26]. Jimmy C' Yu, Prezentare pp, Nanoparticle Synthesis, Department of Chemistry Environmental Science

Pro-gramme The Chine, http://www.powershow.com/view/1bc78e-ZTBjM/Nanoparticle_Synthesis_Jimmy_C_

Yu _Department_of_Chemistry_Environmental_Science_Programme_The_Chine_powerpoint_ppt_presentation

[27]. Mahmood Aliofkhazraei and Dr. Alireza Sabour Rouhaghdam, Fabrication of Nanostructures by Plasma

Electrolysis (carte), 2010 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KgaA,

Bibliografie - Capitolul 1

[36]. V. Kuznetsov, K. Macak, etc, A novel pulsed magnetron sputter technique utilizing very high power

densities,., Surface and Coating Technolgy 163-164 (2-3): 230-293,

[37]. A.P. Ehiasarian, R. N, W. Munz, U. Halmerson, V. Kousnetsov, Influence of high power densities on the

composition of pulsed magnetron plasma;. Vacuum 65(2): 147-154,

[38]. A.P. Ehiasarian, J. G. Wen, I. Petrov, Interface microstructure engineering by high power impulse

magnetron sputtering for enhancement of adhesion, Journal of Applied Physics 101 (5): item 054301, 10pp

[39]. D. J. Christie, Target material pathways model for high power pulsed magnetron sputtering, Adv. Energy

Ind. Inc., 1625 Sharp Point Dr. Fort Collins, Collorado 80525

[40]. M. Clapa, D. Batory, Improving adhesion and wear resistance of carbon coatings using Ti:C gradient

layers, Journal of Achievments in Materials Manufacturing Engineering, Volume 20, Jan.-Feb. 2006

[41]. Ali Erdemir and Christophe Donnet, Tribology of diamond-like carbon films: recent progress and future

prospects, J. Phys. D. Appl. Physs. 39 (2006);

[42]. Yi Long, R.J. Stearn, Z.H. Barber, J. Lloyd, W.J. Clegg , Deposition of TiN/NiB Superlattice Hard

Coatings by Ionised Magnetron Sputter Deposition,

[43]. T. Cselle, M. Morstein, A.G. Plattit, G. Switzerland, P. Holubar, M. Jilek, A. Karmi, Nanostructured

Coatings and Processe on an Industrial Scale, Gorham conference-USA

[44]. Miroslav Piska, Ales Polzer, New Hard Nano-Crystalline Coatings for Cutting Tools and Their Testing,

Research Plan - Faculty of Mechanical engineering, Brno

[45]. Stan Veprek, J.G. Maritza, Beijman Veprek, Industrial applications of superhard nanocomposite coatings,

Surface & Coatings Technology, 2008

[46]. William D. Sproul, Tribological coatings: From Monolithic to Nanocomposite and Nanolayered Coatings,

Presented at 50th SVC TechCon in Luisville, KY in the Tribological and Decorative Coating Session, 2007

[47]. A.A Voevodin; J.S. Zabinski, Supertough wear-resistant coatings with “chameleon” surface adaptation,

[53]. G. Mateescu, A. O. Mateescu – Compus lubrifiant şi antiuzură din wolfram, carbon şi metal, Brevet de

invenŃie RO 127963 B1/ 30.12.2014

[54]. A. O. Mateescu, G. Mateescu – Material multistrat de acoperire cu proprietăŃi tribologice şi procedeu de

obŃinere a acestuia, Brevet de invenŃie RO 128094 B1/ 30.09.2014

[55]. G. Mateescu, A. O. Mateescu – Compus lubrifiant şi antiuzură din bisulfură de wolfram şi carbon, Brevet

de invenŃie RO 127962 B1/ 30.09.2014

Page 54: REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate2015/MateescuAlice.pdf · rezumat tezĂ de doctorat cercetĂri privind realizarea Şi

Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)

cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

Bibliografie-selectivă 52

[56]. G. Mateescu, A. O. Mateescu – Metodă de acoperire a pieselor metalice cu straturi subŃiri lubrifiante,

Brevet de invenŃie RO 128144 B1/ 30.06.2014

[57]. G. Mateescu, A. O. Mateescu – Compus lubrifiant şi antiuzură pe bazăde bisulfură de wolfram, de

acoperire a unui substrat metalic, Brevet de inventie RO 127961 B1/ 30.12.2013

[58]. G. Mateescu, A. O. Mateescu – Materiale şi metode de realizare în vid a straturilor tribologice graduale

şi complexe, pentru acoperirea obiectelor metalice supuse frecării – Cerere de brevet de invenŃie nr.

A/01075/28.12.2012

[59]. G. Mateescu, A. O. Mateescu – Materiale lubrifiante uscate şi complexe cu structură de strat unic şi

compoziŃie graduală/ constanta şi metode sau procedee de realizare cu aceste materiale a acoperirilor

lubrifiante graduale – Cerere de brevet de invenŃie nr. A/01074/28.12.2012

[60]. DICRONITE-DL-5 -www.dicronite.com

[61]. DYNALLOY-G/ M/ T -www.dynamiccoatingsinc.com.

[62]. Teer Coating Ltd. _Patent No. GB2303380 from 19.02.1997-Methods for Deposition of MoS2 with Ti

[63]. G. Mateescu, A. O. Mateescu şi alŃii, Propunere de proict la M-ERA.NET (08.06.2015), Tribological

coatings with complex composition, obtained by sputtering from targets of WS2; MoS2; Ti; C; TiB2; WC”

Bibliografie – Capitolul 2

[64]. A.O. Mateescu, Caiet de sarcini IM_DSSV,

[74]. Prof. Dr. Ing. A. Vişan, Conf. Dr. Ing. N. Ionescu, TOLERANłE, Capitolul 5. Prescrierea preciziei formei

microgeometrice a suprafeŃelor – Rezumat, www.aurelianvisan.ro/.../112_Tol_Rez_Cap.%2005_Rugozit.pdf

[75]. Surface Roughness (JIS B 0601-2001)-Engineering.com, files.engineering.com/download.aspx

[76]. Full width at half maximum png - Wikimedia Commons, http://en.wikipedia.org/wiki/File:FWHM.svg

[77]. Parametrii descriptivi de statistică socială; statisticasociala.tripod.com/variabile2.htm

[96]. Kurt J. Lesker, Material deposition chart, http://www.semicore.com/reference/sputtering-yields-reference

[97]. Electrical resistivity and conductivity - Wikipedia, the free encyclopedia

https://en.wikipedia.org/wiki/Electrical_resistivity_and_conductivity

[99]. J. Robertson / Materials Science and Engineering R 37 (2002) 129±281,

carbon.utsi.edu/downloads/JRobertson_MSER.pdf

[100]. Carbon basic phase diagram,

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Carbon_basic_phase_diagram.png,

[101]. Tungsten Carbides and W–C Phase Diagram, A.S. Kurolov, A.I. Gusev, http://www.researchgate.net/profil

/Alexe _Kurlov/publication/226603505_Tungsten_carbides_and_W-C_phase_diagram/links/549d0d1a0cf2fedbc30fe6f3.pdf

[111]. Material Properties Chart: C, BN, TiB2, WC -www.ferroceramic.com;

www.ceramic.nist.gov/srd/scd/Z00093.htm#M31P.

Page 55: REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate2015/MateescuAlice.pdf · rezumat tezĂ de doctorat cercetĂri privind realizarea Şi

Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)

cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

Rezumat-Abstract 53

REZUMAT

Lucrarea are ca scop realizarea de straturi subŃiri tribologice cu structură nanometrică

şi compoziŃie complexă (ternară: W-C-N, W-C-Ti; cuaternară: W-C-Ti-N, W-C-Ti-B;

pentanară: W-C-Ti-B-N, W-C-Ti-B-S şi sixnară: W-C-Ti-B-S-N), utilizând pulverizarea

magnetron de tip standard sau reactiv în CC şi RF, precum şi caracterizarea morfologică,

structurală, compozitională şi funcŃională (mecanică, tribologică şi anticorozivă) a probelor

realizate pe siliciu (şlefuit pe o faŃă) şi pe oŃel inox 304 (şlefuit pe ambel feŃe), folosind:

Microscopia de ForŃă Atomică, Spectrometria de Retroîmpraştiere Rutherford şi metodele:

amprentării/ indentării, zgârierii şi tribometrului (folosind tribometrul Bila/ Pin pe disc).

Alegerea materialelor de depunere s-a realizat în acord cu cerinŃele celor 5 brevete de

invenŃie ale autoarei tezei, acordate de OSIM (în 2013 - 2014). Astfel, pentru realizarea

acoperirilor monostrat şi multistrat s-au utilizat Ńinte de pulverizare din Ti, WC, TiB2

(folosind pulverizarea magnetron în CC) şi WS2 (depus prin pulverizare magnetron în RF).

Rezultatele obŃinute (susŃinute de 7 articole publicate în reviste cotate ISI şi 8 lucrări

prezentate la conferinŃe internaŃionale) confirmă alegerea corectă a metodei de depunere,

precum şi a combinaŃiei de materiale utilizate şi deschid calea unei noi direcŃii de C-D-I în

domeniul acoperirilor tribologice.

ABSTRACT

The work has as goal the achievement of tribological thin films with nanometric

structure and complex composition (ternary: W-C-N, W-C-Ti; cuaternary: W-C-Ti-N, W-C-

Ti-B; pentnary: W-C-Ti-B-N, W-C-Ti-B-S and sixnary: W-C-Ti-B-S-N composition), using

standard and reactive magnetron sputtering in DC and RF, as also morphological, structural,

compositional and functional (mechanical, tribological and anticorrosion) characterization of

the samples deposited on (one side polished) silica and (both sides polished) 304 stainless

steel, by: Atomic Force Microscopy (AFM), Rutherford Backscattering Spectrometry,

Hardness Indentation Test, Scratch Test and Ball/Pin on disk tribometer method.

Selection of the deposition materials was made in accordance with the 5 patents

awarded to the author of the thesis by the Romanian State Office for Inventions and

Trademarks - OSIM (in 2013 - 2014). In this idea, sputtering targets of Ti, WC, TiB2

(deposited by DC magnetron sputtering) and WS2 (deposited by RF magnetron sputtering)

were used for single and multilayer deposition.

The results (sustained by 7 ISI publications and 8 presentations at international

conferences) confirm the proper selection of the deposition method as also of the materials

combination and open the path of a new R&D&I direction in the field of tribological coatings.

Page 56: REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate2015/MateescuAlice.pdf · rezumat tezĂ de doctorat cercetĂri privind realizarea Şi

Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZA DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)

cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

Curriculum Vitae

54

Curriculum Vitae

InformaŃii personale

Nume Alice-Ortansa Mateescu

Adresă Bd. Ion Mihalache 187, Bl. 4, Ap. 28, Bucuresti 018111, Romania

Telefon +4073 363 65 59

Fax +4021 220 80 84

E-mail [email protected] [email protected]

NaŃionalitate Română

Data naşterii 19.03.1976

Angajator Institutul NaŃional de Cercetare-Dezvoltare pentru Fizică şi Inginerie Nucleară Horia Hulubei – IFIN HH

ExperienŃă profesională

Perioada 2006 - prezent

PoziŃia ocupată Inginer de Dezvoltate Tehnologică III (IDT III)

ActivităŃi şi responsabilităŃi • Depuneri de stratri subŃiri în vid

• Cercetări în domeniul tehnicii vidului şi tehnologiilor în vid

• Modernizarea sistemului de vid al acceleratorului Tandem

Numele şi adresa angajatorului Institutul NaŃional de Cercetare-Dezvoltare pentru Fizică şi Inginerie Nucleară Horia Hulubei – IFIN HH Str. Reactorului nr.30, CP MG-6, Bucureşti – Măgurele 077125, România

Perioada 1999 – 2006

PoziŃia ocupată Asistent cercetare

ActivităŃi şi responsabilităŃi • Proiectarea, depunerea şi caracterizarea straturilor subŃiri pentru componente optice

• Acoperiri reflectorizante şi antireflectorizante

Numele şi adresa angajatorului Institutul NaŃional de Cercetare-Dezvoltare pentru Fizica Laserilor, Plasmei şi RadiaŃiei Str. Atomiştilor nr. 409, CP MG-36, Bucureşti – Măgurele 077125, România

EducaŃie şi formare profesională

Perioada 2011 - 2015

PozitŃia ocupată Doctorand

Titlul tezei: „Cercetări pentru realizarea şi carascterizarea straturilor subŃri (nanomwetrice) cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate”

Subiecte aprofundate Straturi subtiri tribologice complexe depuze in vid prin pulverizare magnetron de tip standard şi rectiv în c.c. şi RF

Numele instituŃiei de învăŃământ Universitatea Transilvania din Braşov Facultatea de ŞtiinŃa şi Ingineria Materialelor

Perioada 1999 - 2001

Diploma obŃinută Master

Perioada 1994 – 1999

Diploma obŃinută Inginer

Domeniul Electrotechnologii

Numele instituŃiei de învăŃământ Universitatea Politehnica din Bucureşti Facultatea de Electrotehnică

Page 57: REZUMAT TEZĂ DE DOCTORAT - old.unitbv.roold.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri de doctorat/Rezumate2015/MateescuAlice.pdf · rezumat tezĂ de doctorat cercetĂri privind realizarea Şi

Ing. Alice-Ortansa Mateescu – REZUMAT TEZA DE DOCTORAT Cerecetări privind realizarea şi caracterizarea straturilor subŃiri (nanometrice)

cu aplicaŃii în tehnologia materialelor avansate

Curriculum Vitae

55

Curriculum Vitae

Personal information

Name Alice-Ortansa Mateescu

Address 187 Ion Mihalache Bulevard, Bl. 4, Ap. 28, 018111 Bucharest, Romania

Telephone +4073 363 65 59

Fax +4021 220 80 84

E-mail [email protected] [email protected]

Nationality Romanian

Date of birth 19.03.1976

Gender Female

Employment Horia Hulubei National Institute for R&D in Physics and Nuclear Engineering – IFIN HH

Work experience

Dates 2006 - present

Position held Senior Researcher III (IDT IIII)

Main activities and responsibilities • Vacuum Thin Film Deposition

• Researches in the field of Vacuum Technique and Vacuum Technologies

• Modernization of the Vacuum System of Tandem Accelerator

Name and address of employer Horia Hulubei National Institute for R & D in Physics and Nuclear Engineering – IFIN HH Str. Reactorului no.30, P.O.BOX MG-6, Bucharest – Magurele 077125, Romania

Dates 1999 – 2006

Position held Junior Researcher

Main activities and responsibilities • Designing, coating and characterization of vacuum thin film deposition for optical components

• Reflective and antireflective thin film coatings

Name and address of employer National Institute for Laser, Plasma and Radiation Physics Str. Atomistilor, P.O.BOX MG-36, Bucharest – Magurele 077125, Romania

Education and training

Dates 2011 - 2015

Title of qualification awarded PhD. student

Thesis title: “Researches for achievement and characterization of nanometric thin films with applications in the advanced materials technology”

Principal subjects Ccomplex tribological thin films deposited in vacuum by standard and reactive magnetron sputtering in DC and RF

Name and type of organisation providing education and training

Transilvania University of Brasov Faculty of Material Science and Engineering

Dates 1999 - 2001

Title of qualification awarded Master in Science

Dates 1994 – 1999

Title of qualification awarded Bachelor in Science - Engineer

Principal subjects Electrotechnologies

Name and type of organisation providing education and training

Politechnica University of Bucharest Faculty of Electrotechnics