احمد محمد الغبان Al-Khwarizmi Engineering Journal Al-Khwarizmi Engineering Journal, Vol. 8, No. 3, P.P. 94-100 (2013) یتانیوم المنجز باالفالم الرقیقةتأثیر زیادة نسبة الكاربون على الخواص المیكانیكیة لكاربید الت احمد محمد حسن الغبان لتكنولوجیةالجامعة ا /قسم ھندسة المواد ahmed_gaban@yahoo.com :البرید االلكتروني (Received 12 March 2012; accepted 18 Feburary 2013) ةالخالص افة اضمثل الصالدة ممتازة من مواد كاربیدیة او نایتریدیة ذات اھمیة فائقة في مجال الصناعة لما لھا من خواص میكانیكیة كونةمال تمثل االفالم الرقیقة الكاربون على الخواص المیكانیكیة ةدراسة تاثیر نسب تفي ھذا البحث تم. الى امكانیة الطالء بدرجات حراریة واطئة تخدم السطوح الحساسة لدرجات عالیة لوحظ ان ھنالك وقد .كیمیاویةمن التراكیب ال معین ممثلة بمعامل المرونة الفالم رقیقة من كاربید التیتانیوم المنتج بواسطة التذریة المغنترونیة لمدى حیث ان الطورالناتج ھو في الغالب لكاربید التیتانیوم بغض النظرعن نسبة الكاربون من ھ الناتج مع نسبة الكاربون المضافاستقراریة للخواص البنیویة للطور ) تزداد الصالدة( حیث تزداد الخواص المیكانیكیة . كاربونلوحظ ارتباط الخواص المیكانیكیة للطورالكاربیدي بنسبة ال%. ٦٥الى غایة اقل من % ٣٤حدود قد تشیر ھذه النتائج الى عالقة وثیقة بین الخواص البنیویة. وثم تبدا بالتناقص بنسب كاربون اعلى% ٥٠للطورالمنتج لغایة نسبة كاربون بمقدار )Microstructure( م الناتج من جھة ثانیةوالمیكانیكیة من جھة وبین االجھادات المتبقیة في الفل. .، المعاملة الحراریة، قیاس التغلغل النانويالتیتانیوم، التذریة المغنترونیةرقائق كاربید : الكلمات المفتاحیة المقدمة .١ تعد كاربیدات المعادن االنتقالیة مثل كاربید التیتانیوم او كاربید ا من ناحیة اذ انھ الفائقة الخواصالتنكستن من المواد الصناعیة مقاومة لدرجات الحرارة العالیة و مقاومة ( حراریا وكیمیائیا جیدة اضافة الى خواصھا المیكانیكیة العالیة من ناحیة اخرى) للتأكل ھذه المواد تجمع في العادة بین خواص المواد المعدنیة من . ]١[ خواص عالوة علىجھة كالتوصیلیة الكھربائیة والحراریة العالیة د السیرامیكیة كمقاومة البلى ودرجة االنصھار العالیة من الموا كثیرا ما یستخدم كاربید التیتانیوم كطالء واقي .]٢[جھة اخرى على سطوح المواد المعدنیة بالنظر لما یمتاز بھ من خواص كما مقاومة لالحتكاك تجعلھ في المقدمة لمقاومة البلى المیكانیكي كذلك تستخدم في . مل الكرویة ھو الحال في عدد القطع والحوا طالء الحاویات المقاومة لدرجات الحرارة العالیة او التي تستخدم . ]١,٢,٣[في حفظ منصھرات المعادن وتطبیقات اخرى كثیرة وسائل متعددة تستخدم للطالء بكاربید التیتانیوم ولكن اكثر الطرق )PVD(الحدیثة المستخدمة في ھذا المجال ھي الترسیب الفیزیائي اذ انھ یمكن بواسطة ھذه .]٤,٣[) CVD( والترسیب الكیمیائي التقنیات طالء اغلب سطوح المواد الھندسیة وخصوصا السطوح الحساسة لدرجات الحرارة العالیة كاغلب انواع الصلب وسبائكھ وفي ھذا المجال یمتاز الترسیب الفیزیائي بكافة تقنیاتھ اذ . ]٤[ رجات واطئة وامكانیة السیطرة على یجمع بین خاصیة الطالء بد یحافظ كاربید التیتانیوم على .]٤[التركیب الكیمیاوي للكاربید بنیتھ الذریة لمدى من التراكیب الكیمیاویة من التیتانیوم والكاربون وكما ھو معلوم فان العالقة بین . ]٥[وحسب مخطط االتزان القة وثیقة التركیب الكیمیاوي للمادة والخواص البنیویة ھي ع لم . الخواص الفیزیائیة والمیكانیكیة یمكن ان تؤثر على مجمل تدرس ھذه العالقة بشكل مستفیض من قبل الباحثین المھتمین بالموضوع ولكن تم التركیز في الغالب على التركیب الكیمیاوي التیتانیوم الى الكاربون ةالقریب الى التجانس حیث تكون نسب من ھنا تبرز اھمیة دراسة .]٥[ وي واحدیسا C/Ti حیث متعادلة تاثیر التركیب الكیمیاوي لكربید التیتانیوم على مجمل خواص ھذه تم تشكیل سلسلة من االفالم في ھذا البحث . المادة الھندسیة الفائقة الرقیقة لكاربید التیتانیوم المختلف في التركیب الكیمیاوي من لم تظھر . C/Ti=65%الى غایة C/Ti=34%حدود نسبة النتائج اي اختالف في البنیة البلوریة على طول المدى المختلف تزداد . للتركیب الكیمیاوي ما عدا اختالف في اتجاه النمو البلوري تزداد الخواص المیكانیكیة . االبعاد الذریة مع زیادة نسبة الكربون مع زیادة نسبة الكربون " Eیونك " للطور الناتج ممثلتا بمعامل ثم تبدا بالتناقص مع استمرار الزیادة بنسبة C/Ti=1لى غایة ا تكون اجھادات داخلیة ضغطیة الكربون مما یعطي دلیل على .المنتج للغشاء الرقیق تؤدي الى تراجع في الخواص المیكانیكیة الجزء العملي .٢ في ھذا البحث تم استخدام نفس حجرة الضغط المذكورة في -الطالء من قبل الباحث في جامعة اخن اذ صممت منظومة . ]٦[ المانیا ونفذت وفق متطلبات انتاج افالم مختلفة التركیب الكیمیاوي كدفعة واحدة باستخدام التذریة المغنترونیة . Combinatorial magnetron sputtringاالندماجیة mailto:ahmed_gaban@yahoo.com )2013(-100 94 ، صفحة1، العدد9مجلة الخوارزمي الھندسیة المجلد عبد الكاظم احمد محمد حسن 95 استخدمت اقطاب من كل من التیتانیوم والكاربون الصلب العالي درجة ١٤ن عن السطح الواقع في االسفل مقداره النقاوة وبمیال ھذا المیالن یعطي االمكانیة للتحكم . ١ -كما موضح في الشكل قطبا الكاربون . بمدى كبیر من التراكیب الكمیاویة لنفس المكونات ملیمتر ویبعدان عن السطح ٣ملیمتر وسمك ٣٩والتیتانیوم بقطر ح المستقبل عبارة عن السط. ملیمتر ٥٠المستقبل للغشاء بحدود رقاقة من اوكسید االلمنیوم عالي النقاوة بسطح صقیل واحد وبقطر تم وضع رقاقة مثقبة من الصلب فوق السطح . ملیمتر ٥٠.٨ المستقبل لغرض حجز الطالء عن مناطق محددة والنتاج عدة كل مساحة دائریة تمثل تركیب . ٢مساحات دائریة حسب الشكل عن االخر باالتجاه من الیمین الى الیسار كیمیاوي محدد مفصول بعد اكمال ). تیتانیوم او كاربون( او العكس وحسب جھة كل قطب وضع السطح المستقبل للطالء واالقطاب في اماكنھا یتم تفریغ باسكال للتخلص من ١٠-٤الحجرة من الھواء لغایة ضغط مقداره . اسكالب ٠.٣اغلب الشوائب بعد ذلك یضخ غاز االركون بضغط واط لكل سنتیمتر مربع لكل ٦.٧و ٤.٢تم تسلیط طاقة مقدرھا من قطبي التیتانیوم والكاربون على التوالي لیتم انتاج البالزما الطالء او الترسیب تم بدون اي مصدر حراري . الالزمة للطالء لتسخین السطح المستقبل للطالء ولم ترتفع درجة حرارة السطح بعد انجاز الطالء بسمك . ئویة في الغالبدرجة م ٥٠عن اكثر من میكرون توقف المنظومة لیتم استخراج السطح ١.٥یقارب المستقبل للغشاء الرقیق ویتم تقطیع العینة لعدة اجزاء من االسفل الى االعلى للحصول على شرائح متعددة كل شریحة تحتوي عدة ي ف. مساحات دائریة وكل مساحة تمثل تركیب كیمیاوي مختلف عینة كما ١٣ھذا البحث استخدمت شریحة واحدة فقط حاویة على تم فحص التركیب الكیمیاوي لكل مساحة . ٢موضح في الشكل المربوط یاباني المنشأ EDXدائریة في الوسط بواسطة جھاز لمجھر الكتروني ماسح والمتواجد في قسم كیمیاء المواد في جامعة لغرض المعایرة من مادة استعملت عینة قیاسیة. المانیا-اخن البنیة البلوریة تم فحصھا لكل . كاربید التیتانیوم لغرض المقارنة ھذا . GADDSمنطقة في الشریحة بواسطة اشعة اكس بجھاز الجھاز یعطي امكانیة كبیرة لفحص االفالم الرقیقة بزاویة حیود واحدة وباالمكان تدویر العینة بكافة االتجاھات للحصول على اما الخواص المیكانیكیة متمثلة . تیجة لحیود االشعة السینیةافضل ن بمعامل یونك لكل مساحة صغیرة فلقد تم احتسابھا بعد الحصول على النتائج التفصیلیة من جھاز قیاس الخواص المیكانیكیة النانوي The nanoindentation measurements . اذ یتم ادخال ثم تثبت النقاط المراد فحصھا الشریحة بعد تثبیتھا على حامل ومن وتاخذ عدة نقاط لكل مساحة دائریة لغرض احتساب معدل القراءة .لكل مساحة طالء E “یونك “ومن ثم یستخرج معامل - التذریة المغنترونیة لكاربید التیتانیوم من قطبي الكاربون والتیتانیوم. ١-شكل Magnetron Sputtering of TiCx from Carbon and Titanium Cathodes. .الغشاء الرقیق من كاربید التیتانیوم بمساحات دائریة بعد عملیة الطالء على سطح من اوكسید االلمنیوم -٢-الشكل The Deposited TiCx Thin Films with Circular Shapes on a Al2O3 Substrate. )2013(-100 94 ، صفحة1، العدد9مجلة الخوارزمي الھندسیة المجلد عبد الكاظم احمد محمد حسن 96 النتائج والمناقشة .٣ تراكیب الكیمیاویة لمساحات بعض نتائج الیوضح ٣-الشكل الكاربون الى اقص نسبةمن خاللھا یمكن مالحظة تن. طالء مختلفة في الجھة القریبة الى قطب التیتانیوم في C/Ti ratioالتیتانیوم ھذه .حین تزداد ھذه النسبة في حال القرب من قطب الكاربون التذریة المغنترونیة احدى اھم المیزات التي توفرھا طریقة في عدة . Combinatorial magnetron sputtringاالندماجیة ابحاث سابقة اظھر كاربید التیتانیوم المرسب كاغشیة رقیقة ھذا یعطي . ]٧,٨,٩,١٠[امكانیة عالیة للتحكم بالتركیب الكیمیاوي االمكانیة الجراء دراسات نظامیة تحلیلیة لربط التركیب الكیمیاوي اص الفیزیائیة والمیكانیكیة وبامكانیة مع كافة الخوللطور المنتج عدم نظرا ل Bulk materialغیر ممكنة في حالة العینات الكتلویة بتقنیة المساحیق على انتاج مجموعة كبیرة من العیناتامكانیة وللصعوبة في تكرار نفس الظروف المحیطة في كل سبیل المثال لما مجموعةالفحص باالشعة السینیة یوضح نتائج ٤الشكل .حالة تظھر النتائج بروز كاربید . یب الكیمیاويمختلفة الترك عینة ١٣ التیتانیوم كطور وحید على الرغم من اختالف التركیب الكیمیاوي او نسبة الكاربون الى التیتانیوم صعودا او نزوال برغم اختالف یمكن ایضا . واضح في شدة الطور الناتج بزیادة نسبة الكاربون . واسع في اتجاه نمو البلورات بزیادة نسبة الكاربونمالحظة فرق (النظام المكعب في) ١ ١ ١( بلورات باالتجاهللحیث یتجھ النمو مع ) 0 0 2( بلوري نمو باتجاهالالى ) نسبة الكاربون االقل في البنیة anisotropyموضوع التباین .انخفاض نسبة الكاربون تركیب قد تم مناقشتھا في المجھریة الفالم رقیقة ذات نفس ال لم یتم توضیح السبب الرئیسي . ]١١,١٢,١٣,١٤[ابحاث سابقة لھذه الظاھرة وسبب اختالفھا من طریقة انتاج الى اخرى غیر ان The strain energyالسبب العام یمكن اجمالھ في طاقة االنفعال في حالة ) ١١١(تتجھ البلورات باتجاه نمو بعبارة اخرى . ]١٤[ في ة تیتانیوم اكبر لغرض تقلیل الجھد الالزم للبناء البلوري نسب بزیادة نسبة الكربون في ) 0 0 2(الى البلوري حین یتجھ النمو سوف یتم التطرق الى ھذه النتائج بصورة تفصیلیة . الطور المنتج تم . اكثر في ابحاث مستقبلیة الحقة لغرض دراستھا بشكل تفصیلي حث التركیز على العالقة بین نسبة الكاربون الى في ھذا الب التیتانیوم في الطور الكاربیدي المنتج وبین الخواص المیكانیكیة فقد تم دراسة الخواص المیكانیكیة بواسطة . متمثلة بمعامل المرونة جھاز الفحص النانوي بدقة متناھیة لغرض تجاھل خواص المادة یوضح ٥ -الشكل. لمنیوماالساس متمثلة في رقیقة اوكسید اال العالقة بین نسبة الكاربون الى التیتانیوم في الطور الناتج ومعامل یمكن . المرونة المستحصل من فحص الخواص المیكانیكیة مالحظة ان معامل المرونة یزداد طردیا بزیادة نسبة الكاربون الى وحدة ذریة للكاربون في حین تبدأ قیمة % ٥٠غایة ما مقداره مل المرونة باالنخفاض تدریجیا بزیادة نسبة الكاربون اكثر من معا قد یعود السبب الرئیسي %. ٦٣الى غایة حدود اقل من % ٥٠ لزیادة الخواص المیكانیكیة في الطور الناتج مع زیادة نسبة الكاربون الى تزاید اعداد ذرات الكاربون التي تحتل المواقع ما ھذا النوع من التداخل الذري .Interstitial atomsبین الذرات من المفترض . یتسبب في زیادة ملحوظة في الخواص المیكانیكیة بظھور طور % ٥٠الكاربون الفائض بنسبة اكبر من ان یتسبب وفقا للفحص باالشعة . ]١٥[الكرافیت الحر في البنیة الذریة للمنتج فق للطور السینیة لم یظھر اي دلیل على وجود طور اخر مرا یعطي سببا واضحا للتناقص في الخواص اربیدي الناتج مما الك من ذلك یمكن %. ٥٠المیكانیكیة بزیادة نسبة الكاربون اكثر من االعتقاد بان السبب الرئیسي النخفاض معامل المرونة في الغشاء الرقیق المنتج بنسبة كاربون عالي یمكن ارجاعھ الى االجھادات عتبار ان الغشاء مع االخذ بنظر اال. یبالداخلیة الناتجة اثناء الترس مما قد . تم ترسیبھ دون اي مصدر حراري خارجي الرقیق المنتج یعطي المجال الواسع لالجھادات المرافقة للعب دور اساسي في لوحظ في دراسات سابقة وجود عالقة وثیقة . ]١٦[ ھذه العملیة اذ . ]١٧[ونة بین االجھادات المتكونة في الفلم الرقیق ومعامل المر تتناقص الخواص المیكانیكیة ممثلتا بمعامل المرونة مع زیادة حجم من ھذا یمكن االعتقاد ان . االجھادات المتبقة المرافقة للترسیب سبب التناقص في الخواص المیكانیكیة المرافق لزیادة نسبة الكربون في الغشاء الكاربیدي في ھذا البحث یعود الى االجھادات یمكن االستنتاج ان .]١٨[كما وجد في ابحاث سابقة الضغطیة االجھادات الضغطیة المتولدة نتیجة ظاھرة المزدوج الحراري لھا .الرقیقاثر كبیر في خفض الخواص المیكانیكیة للغشاء االستنتاجات .٤ على الخواص دراسة تاثیر نسبھ الكاربون تفي ھذا البحث تم الفالم رقیقة من كاربید )E( نةالمیكانیكیة ممثلة بمعامل المرو التیتانیوم المنتج بواسطة التذریة المغنترونیة لمدى من التراكیب لوحظ ان ھنالك استقراریة للخواص البنیویة للطور . الكیمیاویة في الغالب اذا انھ نسبة الكاربون المضافة اختالف الناتج مع % ٣٤دود كاربید التیتانیوم بغض النظرعن نسبة الكاربون من ح الخواص المیكانیكیة ترتبط%. ٦٥الى غایة اقل من تزداد لغایة نسبة كاربون اذ للطورالكاربیدي بنسبة الكاربون یستنتج من . وثم تبدا بالتناقص بنسب كاربون اعلى% ٥٠بمقدار ھذا البحث ان االجھادات الضغطیة المتولدة في الفلم الكاربیدي .الخواص المیكانیكیة بصورة فعالةالرقیق لھا اثر كبیر في خفض )2013(-100 94 ، صفحة1، العدد9مجلة الخوارزمي الھندسیة المجلد عبد الكاظم احمد محمد حسن 97 .التركیب الكیمیاوي لعینتین من كاربید التیتانیوم وھي العینات الطرفیة الحاویة على اعلى واقل نسبة كاربون -٣-الشكل The Chemical Composition of the Slide Edges of the Largest and Smallest Carbon Concentration. .عینة وحسب التركیب الكیمیاوي لنسبة الكاربون ١٣نتائج فحص التركیب البلوري لكاربید التیتانیوم المنتج كافالم رقیقة لما مجموعھ -٤-الشكل The XRD Results for TiCx Thin Films of 13 Different Chemical Compositions. a b c d )2013(-100 94 ، صفحة1، العدد9مجلة الخوارزمي الھندسیة المجلد عبد الكاظم احمد محمد حسن 98 لخواص المیكانیكیة الفالم رقیقة من كاربید التایتانیوم وحسب نسبة الكاربون الى التیتانیوم لكل فلم مقارنة مع بعض االبحاث نتائج فحص ا -٥-الشكل .السابقة The Mechanical Properties of TiCx Thin Films as a Function Of Chemical Composition and the Comparison with Other Studies. ادرالمص .٥ [1] J. Solda´n, J. Musil, “Structure and mechanical properties of DC magnetron sputtered TiC/Cu films", vacuum, vol. 81, pp. 531–583, 2006. [2] M. T. Hosseinnejad, Z. Ghorannevis , M. Ghoranneviss, M. Soltanveisi, M. Shirazi, " Preparation of Titanium Carbide Thin Film Using Plasma Focus Device", J Fusion Energ, vol 30, pp. 516–522, 2011. [3] K. Polychronopoulou, J. Lee, C. Tsotsos, N.G. Demas, R.L. Meschewski, C. Rebholz, A.A. Polycarpou," Deposition and Nanotribological Characterization of Sub- 100-nm Thick Protective Ti-Based Coatings for Miniature Applications", Tribol Lett, vol. 44 pp. 213–221, 2011. [4] E. Coronel, U. Wiklund, E. Olsson," The effect of carbon content on the microstructure of hydrogen-free physical vapour deposited titanium carbide films", Thin Solid Films vol. 518 pp. 71–76, 2009. [5] Ya-Feng Yang, Hui-Yuan Wang, Jin-Guo Wang, and Qi-Chuan Jiang," Lattice Parameter and Stoichiometry of TiCx Produced in Alloyed Ti–C Systems by Self- Propagating High-Temperature Synthesis", J. Am. Ceram. Soc., vol. 11, pp. 3813–3816, 2008. [6] A. Abdulkadhim, T. Takahashi, D. Music, F. Munnik, J. M. Schneider," MAX phase formation by intercalation upon annealing of TiCx/Al (0.4 ≤ x ≤ 1) bilayer thin films", Acta Materialia, vol. 59, pp. 6168–6175, 2011. )2013(-100 94 ، صفحة1، العدد9مجلة الخوارزمي الھندسیة المجلد عبد الكاظم احمد محمد حسن 99 [7] D. Galvan, Y.T. Pei, J.Th.M. De Hosson," Influence of deposition parameters on the structure and mechanical properties of nanocomposite coatings ", Surface and coating technology, vol. 201, pp. 590-598, 2006. [8] A. LeonhardtU, H. Liepack, K. Bartsch," CVD of TiCx /a-C-layers under d.c.-pulse discharge", Surface and Coatings Technology, vol. 133-134, pp. 186-190, 2000. [9] E. Kusano, A. Satoh. M. Kitagawa. H. Canto, A. Kinbara," Titanium carbide film deposition by DC magnetron reactive sputtering using a solid carbon source", Thin Solid Films, vol. 343-344, pp. 254-256, 1999. [10] A.A. VOEVODIN, J.S. ZABINSKI," Load- adaptive crystalline–amorphous nanocomposites", JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE, vol. 33, pp. 319- 327, 1998. [11] R.S. Rawat, P. Leeb, T. White, Li Ying, S. Lee," Room temperature deposition of titanium carbide thin films using dense plasma focus device", Surface and Coatings Technology, vol.138, 159-165, 2001. [12] P. J. Martin, R. P. Netterfield, T. J. Kinder," Deposition of TiN, TiC, and Ti02 films by filtered arc evaporation", Surface and Coatings Technology, vol. 49, pp. 239-243, 1991. [13] R. KuZel, Jr., R. cernf, V. Valvoda, M. Blomberg, M. Merisalo, S. Kadlec," Complex XRD microstructural studies of hard coatings applied to PVDdeposited TiN films Part II Transition from porous to compact films and microstructural inhomogeneity of the layers", Thin Solid Films, vol. 268, pp. 72-82, 1995. [14] U.C. Oh, J. Ho Je," Effects of strain energy on the preferred orientation of TIN thin films", J. Appl. Phys., vol. 74, pp. 1692- 1698,1993. [15] G.Li, L.F.Xia," Structural characterization of TiCx films prepared by plasma based ion implantation", vol. 396, pp. 16-22, 2001. [16] A. Kinbara, S. Baba," INTERNAL STRESS AND YOUNG'S MODULUS OF TiC COATINGS", Thin Solid Films, vol. 107, pp. 359-364, 1983. [17] C.T. Chuanga, C.K. Chaob, R.C. Changa, K.Y. Chub," Effects of internal stresses on the mechanical properties of deposition thin films", Journal of materials processing technology, vol. 2 0 1, pp. 770–774, 2 0 0 8. [18] H. Liepack, K. Bartsch, W. Bru¨ckner, A. Leonhardt," Mechanical behavior of PACVD TiC–amorphous carbon composite layers", Surface and Coatings Technology, vol. 183, pp. 69–73. 2004. Ahmed M. H. Abdulkadhim Al-Khwarizmi Engineering Journal, Vol. 9, No.1, P.P. 94-100 (2013) 100 The Effect of Increasing Carbon Concentration Increasing on the Mechanical Properties of TiCx Thin Films Ahmed M. H. Abdulkadhim Al-Ghaban Department of Materials Engineering/ University of Technology ahmed_gaban@yahoo.com mail:-E Abstract Carbides or nitrides thin films present materials with good mechanical properties for industrial applications as they can be coatings at low temperatures serve temperature sensitive surfaces. In this work the effect of the C percentage on the mechanical properties represented by the Young modulus (E) of combinatorial magnetron sputtered TiCx (34%x 65%) has been studied. The structure of the produced films is TiC independent on the C concentration. The mechanical properties are increased with increasing the C concentration up to 50%, and then decreasing with further C % increasing. These results can be explained by considering the resultant residual stresses. mailto:ahmed_gaban@yahoo.com