Механизм защиты многослойных нанопокрытий: как остановить разрушение на наноуровне

Когда два твердых тела соприкасаются, их поверхности никогда не бывают идеально гладкими – всегда есть микроскопические неровности. В этих точках напряжения могут достигать десятков гигапаскалей, вызывая локальные деформации и, в конечном счете, разрушение. Особенно остро эта проблема стоит для защитных покрытий режущих инструментов, лопаток турбин и биомедицинских имплантатов, где контактные нагрузки сочетаются с высокими температурами и агрессивными средами.

До сих пор ученые могли измерять напряжения либо в самом покрытии, либо в инденторе – но не одновременно. Традиционные методы давали усредненную картину с разрешением в десятки микрон, а компьютерное моделирование требовало допущений, которые не всегда подтверждались экспериментом. Чтобы преодолеть этот барьер, исследователи создали наномеханический зонд: индентор из монокристаллического алмаза покрыли слоем нанокристаллического алмаза толщиной 3,8 микрона. Это позволило одновременно регистрировать дифракционные сигналы от индентора и от исследуемого покрытия.

Прорыв в измерении напряжений

Сканируя область контакта с шагом 80 нанометров, ученые получали карты распределения напряжений с беспрецедентной детализацией. Эксперименты проводились на синхротроне ESRF в Гренобле. Результаты, опубликованные в журнале Communications Materials (Springer-Nature), показали: в однослойном покрытии сжимающие напряжения под индентором достигали −13,4 ГПа, а у границы с подложкой возникали растягивающие напряжения, провоцирующие трещины.

В многослойном покрытии – из керамического ZrN с прослойками аморфного сплава ZrCu – картина принципиально иная. Напряжения оставались сжимающими по всей толщине, пиковые значения снизились, а растягивающие напряжения практически исчезли. Более того, область интенсивной деформации стала шире, то есть нагрузка распределялась по большему объему.

Как аморфные прослойки «гасят» разрушение

Ключевой механизм заключается в том, что аморфные прослойки ZrCu, обладая меньшей жесткостью и способностью к пластической деформации, «экранируют» передачу напряжений между слоями ZrN. Это работает подобно тому, как мягкий органический слой между минеральными пластинами в перламутре моллюсков предотвращает распространение трещин. В результате многослойное покрытие накопило лишь 69% упругой энергии по сравнению с однослойным – остальные 30% были рассеяны через пластическую деформацию интерфейсов.

Полученные данные дают инженерам конкретные числовые критерии для проектирования защитных покрытий нового поколения. В режущем инструменте это позволит увеличить стойкость в два-три раза за счет подавления зарождения трещин, в лопатках газовых турбин – повысить ресурс при высокотемпературном окислении и термоциклировании, а в биомедицинских имплантатах – снизить риск износа и фреттинга.

Кроме того, разработанная методика становится эталонным инструментом для валидации компьютерных моделей контактной механики, что ускорит разработку новых материалов. «Представьте, что вы пытаетесь понять, как распределяется давление в месте контакта двух твердых тел. Раньше мы могли измерить либо то, что происходит внутри одного тела, либо внутри другого, но не одновременно, и с значительно более низким разрешением. Теперь, используя новейшие достижения в области синхротронных методов, мы убедились, что тончайшие металлические пленки в многослойном покрытии перераспределяют и рассеивают накопленную упругую энергию, работая подобно демпфирующим прослойкам. Это не просто прорыв в разрешении – мы даем инженерам способ прямого определения напряжений на уровне отдельных шероховатостей в реальном контакте, то есть такой инструментарий, о котором могли лишь мечтать Буссинеск, Герц, а также Гринвуд и Вильямсон», – прокомментировал соавтор исследования, профессор Центра инженерных систем и наук Сколтеха, руководитель Лаборатории иерархически структурированных материалов Александр Корсунский.