Многослойные нанопокрытия заранее показывают риск разрушения деталей

Тонкие защитные покрытия на режущих инструментах, имплантах и деталях двигателей давно используются в промышленности. Но почему одни многослойные нанопокрытия держатся значительно лучше однородных, а другие — нет, до последнего времени оставалось недостаточно изученным вопросом. Новое исследование команды, связанной со Сколтехом, опубликованное в Communications Materials, впервые описывает механизм рассеивания энергии на нанометровом уровне. Подробнее о смежных научных разработках ранее писали «Пронедра» в материале о материалах с управляемым переносом тепла.

Учёные изучили чередующиеся слои нитрида циркония (ZrN) и медно-циркониевого сплава (ZrCu) с индивидуальной толщиной каждого слоя около 80 нанометров. Для исследования применялась комбинация наноинденторного тестирования и синхротронного рентгеновского анализа — это позволило наблюдать деформацию в реальном времени.

Что показал эксперимент: когда индентор вдавливается в многослойную структуру, кристаллический ZrN-слой испытывает нагрузку и начинает пластически деформироваться — но вместо того чтобы растрескаться, передаёт часть энергии в соседний ZrCu-слой с аморфной структурой. Аморфный металлический слой поглощает эту энергию через другой механизм — вязкую деформацию. В итоге энергия удара «размазывается» между двумя материалами с принципиально разной микроструктурой, и разрушения не происходит.

Важно то, что эффект работает именно за счёт чередования: однородное покрытие из ZrN трескается при аналогичной нагрузке, тогда как однородный ZrCu деформируется слишком легко. Только взаимодействие двух слоёв с разными механизмами деформации обеспечивает нужную комбинацию прочности и вязкости.

Открытие даёт инженерам конкретный принцип проектирования: для максимальной ударостойкости нужно чередовать слои с кристаллической и аморфной структурой, подбирая соотношение толщин под конкретные условия нагружения.