Розробка матеріалознавчих основ структурної інженерії вакуумно-плазмових надтвердих покриттів з метою досягнення необхідних функціональних властивостей

У результаті випробувань на твердість виявлено, що на глибині 40-80 нм від поверхні значення твердості покриттів складає приблизно 17.5-18.5 ГПа. Починаючи з глибини 85 нм, спостерігається зменшення твердості покриття, що є результатом впливу більш м'якої сталевої підкладки. Високотемпературний відпал покриттів призводить до зниження твердості захисного шару відносно вихідного стану (від 14.6 до 11 ГПа). Опромінення поверхні відпалених зразків іонами Au стимулює подальше об'єднання поверхні бором, що проявляється в відносному зменшенні інтенсивності піків від дибориду алюмінію (рис. 16 б). Також до ефекттів іонної імплантації можна віднести зменшення шорсткості поверхні покриття, що проявляється у порівняно низькому розкиді фону дифракційного спектру, знятого в ковзаючій геометрії. Здатність матеріалів чинити опір пластичній деформації або хрупкому руйнуванню обумовлює вибір області їх подальшого застосування. Тому для визначення найбільш оптимальних режимів осадження і подальшого термічного відпалу проводили механічні випробування матеріалів за нанотвердостю і визначенням модуля пружності. На рис. 17 показано, як залежить глибина впровадження індентора від прикладеної навантаження. Згідно розрахунків, покриття AlN-TiB₂-TiSi₂ в осадженому стані мають нанотвердость 14.5 ГПa, модуль Юнга 217 ГПa. Хід кривої розвантаження вказує на те, що матеріал володіє хорошою пластичністю: впродовж розвантаження відновлюється ~60% відбитка по глибині. Індекс в'язкопластичні складає ~ 0.07, що також характеризує покриття як аморфноподібний матеріал.

Рисунок 17 - Крива залежності зміщення наноіндентору h від прикладеного навантаження Р для покриттів AlN-TiB₂-TiSi₂

Рисунок 18 - Розподіл нанотвердості покриття по глибині захисного шару.

Рисунок 19 - Вплив температури відпалу на нанотвердість композиційних покриттів AlN-TiB₂-TiSi₂:1 - с. № 1 (поч. стан); 2 - с. № 2 (Т = 900°С); 3 - с.№3 (Т = 1300°С).

Розподіл твердості по глибині захисного шару визначали за допомогою динамічного наноіндентування. Для цього до індентора було прикладене навантаження 10 мН синусоїдальної форми. Результати випробувань представлені на рис. 18. Встановлено, що на глибині 40-80 нм від поверхні значення твердості покриттів становить приблизно 17.5-18.5 ГПа. Починаючи з глибини 85 нм, спостерігається зменшення твердості покриття, що є результатом впливу більш м'якої сталевої підкладки. Високотемпературний відпал покриттів призводить до зниження твердості захисного шару відносно початкового стану (рис. 19). Причиною таких змін виступають структурно - фазові зміни в матеріалі, результатом яких є часткове відновлення кристалічної структури з аморфноподібної, а також збільшення розміру кристаллітів

Висновки до розділу 2

1. Вивчені особливості фазоутворення багатокомпонентних та багатошарових нітридних покриттів на основі Ti, Hf, Zr, Nb, V, Si, Al, Y, Ta, B, Mo елементів, отриманих методами вакуумно-дугового осадження та імпульсного магнетронного розпилення залежно від умов осадження (тиску робочого газу та потенціалу зміщення підкладки).

2. Встановлені оптимальні режими осадження та фактори, які зумовлюють отримання покриттів з високими фізико-механічними характеристиками (твердість, модуль пружності, адгезійна міцність, фактор зносу, коефіцієнт тертя).

ВИСНОВКИ

1. Експериментальні та теоретичні дослідження Nb-Al-N покриттів показують, що плівки, отримані при вибраних параметрах осадження, мають нанокомпозитну структуру і складаються з нанокристалітів B1-NbN_z і B1-Nb_1-xAl_xN_yO_1-y, впроваджених в матрицю a-AlNO. Нанокомпозитні покриття в результаті мікродеформацій, що виникають через розходження атомних радіусів металевих складових кристалічних решіток, мають високі значення твердості (до 32GPa).

2. Показано, що при зміні потенціалу, що подається на підкладку, змінюється стехіометрія в Ti-Hf-Si-N покритті і утворюються або дві фази (Ti, Hf) N - твердий розчин, б-Si₃N₄ квазіаморфная фаза, або одна (твердого розчину). Сформовані нанокомпозитні покриття, отримані за допомогою катодного вакуумно-дугового осадження, у разі формування двох фаз мають більш високу твердість і дуже гарні трибологічні характеристики, а також досить високу адгезію до підкладки.

3. У процесі осадження Ti-Zr-Cr-Nb-N системи формується двофазна структура з кубічної (TiN) і тетрагональної (Cr₂N) кристалічними решітками. Твердість отриманих покриттів (Zr-Ti-Сr-Nb)N змінюється в залежності від умов осадження матеріалу і сформованого структурно-фазового складу. Максимальні значення твердості були виявлені у покриттів з найбільшими розмірами кристалітів. Значення навантаження на індентор при досягненні напруги, що перевищує когезійну міцність покриття, склало L_C = 62,06 Н.

4. Показано, що всі (Ti-Zr-Nb-Cr-Si) N нітридні наноструктурні покриття включають тільки одну фазу твердого розчину з ГЦК-кристалічною решіткою типу NaCl. Проведені трибологічні випробування (Ti-Zr-Nb-Cr-Si) N покриттів вказують на можливість використання їх як матеріалів, що забезпечують підвищення ресурсу роботи і надійності вузлів тертя.

5. Показано, що в усьому інтервалі фізичних параметрів осадження (Ti-Hf-Zr-V-Nb)N нітрідние наноструктурні покриття на основі високоентропійних сплавів включають тільки одну фазу твердого розчину з ГЦК-кристалічною решіткою типу NaCl з переважною орієнтацією (111). У відсутність активного газу відбувається формування ОЦК-кристалічної решітки Ti-Hf-Zr-V-Nb з площиною текстури (110). Розмір кристалітів становить від 75-80 нм. Осадження конденсатів при потенціалі зміщення від Uсм = 50-200 В призводить до розвитку в покритті стискають напруг від -5,08 до -7,95 ГПа.

6. У результаті вакуумно-дугового осадження наноструктурного багатокомпонентного покриття (TiZrHfVNbTa) N виявлено формування фази з ГЦК-решіткою структурного типу NaCl. Імплантація негативних іонів Au^- дозою 1Ч10¹⁷ см^-2 призводить до формування полікристалічної структури без переважної орієнтації ГЦК-фази, відбувається диспергування нанокристалітів від 5-7 нм до 1-3 нм в шарі глибиною до 35 нм. Величина нанотвердості збільшується до 33 ГПа, твердість за Віккерсу досягає значень 51 ГПа. У приповерхневій області формуються нанокластери з Au, а в самому покритті фіксується наявність ГЦК-решітки і утворення локальних областей Au. На глибинах понад 180 нм формуються ділянки з ГПУ-решіткою через малу концентрації азоту.

7. Виявлено, що в процесі осадження AlN-TiB2-TiSi2 матеріалу формується аморфноподібна нанокристалічна структура з розмірами областей впорядкування порядку 1 нм. Відпал зразків при температурах 900 і 1300°С призводить до того, що основну матрицю покриття формують атоми Al, B, O і C, а Ti і Si зникають зі складу захисного шару. Аналіз механічних характеристик показав, що при вибраних режимах осадження вдалося сформувати покриття з нанотвердостью 14.5 ГПa і модулем пружності 217 ГПa. Активація процесів кристалізації під впливом високих температур дозволяє отримати диффузійностійку і термічно стабільну наноструктуру. Її твердість знижується лише на 25% щодо твердості метастабільних покриттів в початковому стані.

8. Виявлено вплив товщини нанорозмірного шару на зміну структури і властивостей нанокомпозитних багатошарових покриттів TiN/MoN. За допомогою методу Arc-PVD були отримані багатошарові покриття TiN/MoN з товщиною наношару 2, 10, 20 і 40 нм. Виявлено формування двох фаз TiN (ГЦК) і г-Mo₂N. Максимальне значення твердості, отримане для різних товщин шарів, не перевищує 28-31 ГПа. У наноструктурних багатошарових покриттях при товщинах шару 10 і 20 нм спостерігається найменше значення коефіцієнта тертя 0.09-0.12.

ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ

1. A.D. Pogrebnjak, I.V. Yakushchenko, O.V. Bondar, V.M. Beresnev, K. Oyoshi, H. Amekura, Y. Takeda The microstructure of a multielement nanostructured (TiZrHfVNbTa) N coating and its resistance to irradiation with Au-ions// Technical Physics Letters, - 2015, - 41. - P. 1054-1057.

2. V.I. Ivashchenko, P.L. Skrynskii, O.S. Litvin, A.D. Pogrebnjak, V.N. Rogoz, G. Abadias, A.P. Kuz'menko Structure and properties of nanostructured NbN and Nb-Si-N films depending on the conditions of deposition: Experiment and theory// The Physics of Metals and Metallography, - 2015. - 116. - P. 1015-1028.

3. V.I. Ivashchenko, P.L. Skrynskii, O.S. Litvin, A.D. Pogrebnjak, V.N. Rogoz, G. Abadias, A.P. Kuz'menko Structure and properties of nanostructured NbN and Nb-Si-N films depending on the conditions of deposition: Experiment and theory// The Physics of Metals and Metallography, - 2015. - 116. - P. 1015-1028.

4. A.D. Pogrebnjak, A.A. Demianenko, A.V. Pshik, Yu. A. Kravchenko, V.M. Beresnev, H. Amekura, K. Kono, K. Oyoshi, Y. Takeda, I.A. Podchernyaeva Structural features and physico-mechanical properties of AlN-TiB2-TiSi2 amorphous-like coatings// Journal of Superhard Materials, -2015, - 37. - P. 310-321.

5. A.D. Pogrebnjak, I.V. Yakushchenko, O.V. Bondar, V.M. Beresnev, K. Oyoshi, H. Amekura, Y. Takeda Influence of implantation of Au? ions on the microstructure and mechanical properties of the nanostructured multielement (TiZrHf VNbTa) N coating// Physics of the Solid State, 2015, - 57. - P. 1559-1564.

6. V.I. Ivashchenko, A.D. Pogrebnjak, P.L. Skrynskii, V.N. Rogoz, A.A. Meilekhov, S.N. Dub, A.I. Kupchishin Structure and properties of nanocomposite Nb-Al-N films// Physics of the Solid State, 2015. - 57. - P. 1642-1646

7. V.I. Ivashchenko, A.D. Pogrebnjak, V.N. Rogoz, A.A. Meilekhov, S.N. Dub, A.I. Kupchishin The effect of Al target current on the structure and properties of (Nb2Al) N films with an amorphous AlN phase// Technical Physics Letters, 2015. - 41. - P. 697-700.

8. A.D. Pogrebnjak, B.A. Postol'nyi, Yu. A. Kravchenko, A.P. Shipilenko, V.M. Beresnev, A.P. Kuz'menko Structure and properties of (Zr-Ti-Cr-Nb) N multielement superhard coatings// Journal of Superhard Materials, 2015. - 37. - P. 101-111.

9. A.D. Pogrebnjak, D. Eyidi, G. Abadias, O.V. Bondar, V.M. Beresnev, O.V. Sobol Structure and properties of arc evaporated nanoscale TiN/MoN multilayered systems// International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 2015. - 48. - P. 222-228.

10. A.D. Pogrebnjak, I.V. Yakushchenko, O.V. Bondar, A.A. Bagdasaryan, V.M. Beresnev, D.A. Kolesnikov, G. Abadias, P. Cbartier, Y. Takeda, M.O. Bilokur Influence of the Structure and Elemental Composition on the Physical and Mechanical Properties of (TiZrHfVNb) N Nanostructured Coatings// Advanced Processing and Manufacturing Technologies for Nanostructured and Multifunctional Materials: A Collection of Papers Presented at the 38th International Conference on Advanced Ceramics and Composites January 27-31, 2014 Daytona Beach, Florida, 2015. - P. 173-183.

11. A.D. Pogrebnjak, A.S. Kaverina, V.M. Beresnev, Y. Takeda, K. Oyoshi, H. Murakami, A.P. Shypylenko, M.S. Prozorova, O.V. Kolisnichenko, B. Zholybekov, D.A. Kolesnikov Investigation of Multilayer Superhard TiЃ]HfЃ]SiЃ]N/NbN/Al2O3 Coatings for High Performance Protection// Advanced Processing and Manufacturing Technologies for Nanostructured and Multifunctional Materials: A Collection of Papers Presented at the 38th International Conference on Advanced Ceramics and Composites January 27-31, 2014 Daytona Beach, Florida, 2015. - P. 163-171.

12. V.M. Beresnev, O.V. Sobol, A. D. Pohrebniak, U.S. Nyemchenko, S.S. Grankin, V.A. Stolbovoy, P.V. Turbin, A.A. Meylehov, M. Ju. Arseenko About Peculiarities of the Influence of the Negative Bias Potential Applied to the Substrate During the Deposition Process on the Structural State and Properties of the Multilayer system MoN-CrN// Sumy State University, 2015.

13. O.K. Porada, A.O. Kozak, V.I. Ivashchenko, S.M. Dub, A. D. Pohrebniak Hard Si-CN Chemical Vapor Deposited Films// Sumy State University, 2015.

14. АД Погребняк, АА Демьяненко, ЕВ Смирнова Процессы образования сфероидных частиц золота и формирование нанофаз в покрытии AlN-TiB2-TiSi2 после отжига с последующей имплантацией// БГУ. - 2015.

15. A.D. Pogrebnjak, S. Borba, N. Levintant-Zayonts, S.V. Plotnikov, Y.O. Tleukenov, H. Komsta Effect of N Ions High Doses on the Microstructure, Elemental Composition and Mechanical Properties of (Ti, Hf, Zr, Nb, V, Ta) N Nanostructures Coatings// Metody komputerowe w mechanice, 2015. - P. 148.

16. Pogrebnjak A.D., Sobol O.V., Beresnev V.M. et al. Phase composition, thermal stability, physical and mechanical properties of superhard on base Zr-Ti-Si-N nanocomposite coatings// Nanostructured materials and Nanotechnology IV: Ceramic Eng.Sci. Proc. - 2010. - 31, N. 7. - P.127 - 138.

17. Veprek S., Veprek-Heijman M.G.J. Limits to the preparation of superhard nanocomposites: Impurities, deposition and annealing temperature // Thin Solid Films. - 2012. - 522. - P. 274 - 282.

18. Yeh J.-W., Chen Y.-L., Lin S.-J, Chen S.-K. High-entropy alloys - a new era of exploitation // Mater. Sci. Forum. - 2007. - 560. - P. 1-9.

19. Lai C.H., Tsai M.H., Lin S.J., Yeh J.W. Influence of substrate temperature on structure and mechanical, properties of multi-element (Al_Cr_Ta_Ti_Zr)N coatings // Surf. Coat. Technol. - 2007. - 201. - P. 6993-6998.

20. Huang P.K., Yeh J.W. Effects of nitrogen content on structure and mechanical properties of multi-element (Al-Cr-Nb-Si-Ti-V)N coating // Ibid. - 2009. - 203. - P. 1891-1896.

21. Chang Sh.Y., Chen D.Sh. 10-nm-thick quinary (Al-Cr-Ta-Ti-Zr)N film as effective diffusion barrier for Cu interconnects at 900°C // Appl. Phys. Lett. - 2009. - 94, art. 231909.

22. Liang S.Ch., Chang Z.Ch., Tsai D.Ch. et al. Effects of substrate temperature on the structure and mechanical properties of (Ti-V-Cr-Zr-Hf)N coatings // Appl. Surface Sci. - 2011. - 257. - P. 7709-7713.

Размещено на Allbest.ru