Влияние аргона на структуру и свойства Ti-Si-N-покрытий, полученных при вакуумно-дуговом осаждении в газовой смеси «азот + аргон»
Методами структурного анализа (рентгеновская дифрактометрия и высокоразрешающая сканирующая электронная микроскопия) в сочетании с элементным анализом и изучением твердости микроиндентированием исследовано влияние аргона в смеси газов N₂+Ar на элементно-фазово-структурное состояние и микротвердость...
Saved in:
| Published in: | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Date: | 2012 |
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2012
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/109020 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Влияние аргона на структуру и свойства Ti-Si-N-покрытий, полученных при вакуумно-дуговом осаждении в газовой смеси «азот + аргон» / В.А. Белоус, Ю.А. Заднепровский, Н.С. Ломино, О.В. Собол // Вопросы атомной науки и техники. — 2012. — № 5. — С. 114-122. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-109020 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Белоус, В.А. Заднепровский, Ю.А. Ломино, Н.С. Соболь, О.В. 2016-11-18T20:57:53Z 2016-11-18T20:57:53Z 2012 Влияние аргона на структуру и свойства Ti-Si-N-покрытий, полученных при вакуумно-дуговом осаждении в газовой смеси «азот + аргон» / В.А. Белоус, Ю.А. Заднепровский, Н.С. Ломино, О.В. Собол // Вопросы атомной науки и техники. — 2012. — № 5. — С. 114-122. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/109020 621.793 Методами структурного анализа (рентгеновская дифрактометрия и высокоразрешающая сканирующая электронная микроскопия) в сочетании с элементным анализом и изучением твердости микроиндентированием исследовано влияние аргона в смеси газов N₂+Ar на элементно-фазово-структурное состояние и микротвердость вакуумно-дуговых покрытий системы Ti-Si-N. Установлена возможность получения в смеси N₂+Ar (8…12 %) сверхтвердого состояния (твердость около 50 ГПа). Показано, что такое состояние определяется нанометровым (25…30 нм) размером кристаллитов нитрида и текстурой роста с семейством плоскостей {100}, параллельных поверхности роста, что соответствует минимуму поверхностной энергии. Особенностью процесса осаждения в смеси N₂ + Ar при давлении р > 5·10⁻³ Торр является повышение эффективности ионизации пленкообразующих частиц, приводящее к увеличению твёрдости конденсата. Обсуждены механизмы ионно-атомного взаимодействия в газовой среде с аргоновой составляющей. Методами структурного аналізу (рентгенівська дифрактометрія і високоришальна скануюча електронна мікроскопія) у поєднанні з елементним аналізом і вивченням твердості мікроіндентуванням досліджений вплив аргону в суміші газів N₂+Ar на елементно-фазово-структурний стан і мікротвердість вакуумно- дугових покриттів системи Ti-Si-N. Встановлена можливість отримання в суміші N₂+Ar (8…12 %) надтвердого стану (твердість близько 50 ГПа). Показано, що такий стан визначається нанометровим (25…30 нм) розміром кристалітів нітриду і текстурою зростання з сімейством площин {100}, паралельних поверхні росту, що відповідає мінімуму поверхневої енергії. Особливістю процесу осадження в суміші N₂+Ar при тиску р > 5·10⁻³ Торр є підвищення ефективності іонізації плівкоутворюючих часток, що призводить до збільшення твердості конденсату. Обговорені механізми іонно-атомної взаємодії в газовому середовищі з аргоновою складовою. Influence of argon in mixture of gases N₂+Ar on elemental-phase-structural state and micro hardness of vacuumarc coating of system Ti-Si-N was researched by methods of structure analysis (x-ray diffractometry and highresolution scanning electronic microscopy) in combination with elemental analysis and studying of hardness by micro indentation. The opportunity of reception in mixture N₂+Ar (8…12 %) superhard state (hardness nearby 50 ГПа) was demonstrated. It is shown, that such state is defined nanometer (25…30 nanometers) by size of crystal grains of nitride and growth of the texture with family of planes {100}, which parallel surface of growth that corresponds to minimum of surface energy. Feature of process of deposition in mixture N₂+Ar at pressure 5·10⁻³ Торр is increasing of efficiency of ionization of the film-forming particles, leading magnification of hardness of condensate. Mechanisms of ionic-atomic interaction in gas medium with argon component are discusses. ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Физика радиационных и ионно-плазменных технологий Влияние аргона на структуру и свойства Ti-Si-N-покрытий, полученных при вакуумно-дуговом осаждении в газовой смеси «азот + аргон» Вплив аргону на структуру та властивості Ti-Si-N покриттів, отриманих при вакуумно-дуговому осадженні в газовій суміші «азот+аргон» Influence of argon on structure and properties Ti-Si-N of the coating receive at vacuum-arc deposition in gas mixture “nitrogen+аrgon” Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Влияние аргона на структуру и свойства Ti-Si-N-покрытий, полученных при вакуумно-дуговом осаждении в газовой смеси «азот + аргон» |
| spellingShingle |
Влияние аргона на структуру и свойства Ti-Si-N-покрытий, полученных при вакуумно-дуговом осаждении в газовой смеси «азот + аргон» Белоус, В.А. Заднепровский, Ю.А. Ломино, Н.С. Соболь, О.В. Физика радиационных и ионно-плазменных технологий |
| title_short |
Влияние аргона на структуру и свойства Ti-Si-N-покрытий, полученных при вакуумно-дуговом осаждении в газовой смеси «азот + аргон» |
| title_full |
Влияние аргона на структуру и свойства Ti-Si-N-покрытий, полученных при вакуумно-дуговом осаждении в газовой смеси «азот + аргон» |
| title_fullStr |
Влияние аргона на структуру и свойства Ti-Si-N-покрытий, полученных при вакуумно-дуговом осаждении в газовой смеси «азот + аргон» |
| title_full_unstemmed |
Влияние аргона на структуру и свойства Ti-Si-N-покрытий, полученных при вакуумно-дуговом осаждении в газовой смеси «азот + аргон» |
| title_sort |
влияние аргона на структуру и свойства ti-si-n-покрытий, полученных при вакуумно-дуговом осаждении в газовой смеси «азот + аргон» |
| author |
Белоус, В.А. Заднепровский, Ю.А. Ломино, Н.С. Соболь, О.В. |
| author_facet |
Белоус, В.А. Заднепровский, Ю.А. Ломино, Н.С. Соболь, О.В. |
| topic |
Физика радиационных и ионно-плазменных технологий |
| topic_facet |
Физика радиационных и ионно-плазменных технологий |
| publishDate |
2012 |
| language |
Russian |
| container_title |
Вопросы атомной науки и техники |
| publisher |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Вплив аргону на структуру та властивості Ti-Si-N покриттів, отриманих при вакуумно-дуговому осадженні в газовій суміші «азот+аргон» Influence of argon on structure and properties Ti-Si-N of the coating receive at vacuum-arc deposition in gas mixture “nitrogen+аrgon” |
| description |
Методами структурного анализа (рентгеновская дифрактометрия и высокоразрешающая сканирующая электронная микроскопия) в сочетании с элементным анализом и изучением твердости микроиндентированием исследовано влияние аргона в смеси газов N₂+Ar на элементно-фазово-структурное состояние и микротвердость вакуумно-дуговых покрытий системы Ti-Si-N. Установлена возможность получения в смеси N₂+Ar (8…12 %) сверхтвердого состояния (твердость около 50 ГПа). Показано, что такое состояние определяется нанометровым (25…30 нм) размером кристаллитов нитрида и текстурой роста с семейством плоскостей {100}, параллельных поверхности роста, что соответствует минимуму поверхностной энергии. Особенностью процесса осаждения в смеси N₂ + Ar при давлении р > 5·10⁻³ Торр является повышение эффективности ионизации пленкообразующих частиц, приводящее к увеличению твёрдости конденсата. Обсуждены механизмы ионно-атомного взаимодействия в газовой среде с аргоновой составляющей.
Методами структурного аналізу (рентгенівська дифрактометрія і високоришальна скануюча електронна мікроскопія) у поєднанні з елементним аналізом і вивченням твердості мікроіндентуванням досліджений вплив аргону в суміші газів N₂+Ar на елементно-фазово-структурний стан і мікротвердість вакуумно- дугових покриттів системи Ti-Si-N. Встановлена можливість отримання в суміші N₂+Ar (8…12 %) надтвердого стану (твердість близько 50 ГПа). Показано, що такий стан визначається нанометровим (25…30 нм) розміром кристалітів нітриду і текстурою зростання з сімейством площин {100}, паралельних поверхні росту, що відповідає мінімуму поверхневої енергії. Особливістю процесу осадження в суміші N₂+Ar при тиску р > 5·10⁻³ Торр є підвищення ефективності іонізації плівкоутворюючих часток, що призводить до збільшення твердості конденсату. Обговорені механізми іонно-атомної взаємодії в газовому середовищі з аргоновою складовою.
Influence of argon in mixture of gases N₂+Ar on elemental-phase-structural state and micro hardness of vacuumarc coating of system Ti-Si-N was researched by methods of structure analysis (x-ray diffractometry and highresolution scanning electronic microscopy) in combination with elemental analysis and studying of hardness by micro indentation. The opportunity of reception in mixture N₂+Ar (8…12 %) superhard state (hardness nearby 50 ГПа) was demonstrated. It is shown, that such state is defined nanometer (25…30 nanometers) by size of crystal grains of nitride and growth of the texture with family of planes {100}, which parallel surface of growth that corresponds to minimum of surface energy. Feature of process of deposition in mixture N₂+Ar at pressure 5·10⁻³ Торр is increasing of efficiency of ionization of the film-forming particles, leading magnification of hardness of condensate. Mechanisms of ionic-atomic interaction in gas medium with argon component are discusses.
|
| issn |
1562-6016 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/109020 |
| citation_txt |
Влияние аргона на структуру и свойства Ti-Si-N-покрытий, полученных при вакуумно-дуговом осаждении в газовой смеси «азот + аргон» / В.А. Белоус, Ю.А. Заднепровский, Н.С. Ломино, О.В. Собол // Вопросы атомной науки и техники. — 2012. — № 5. — С. 114-122. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT belousva vliânieargonanastrukturuisvoistvatisinpokrytiipolučennyhprivakuumnodugovomosaždeniivgazovoismesiazotargon AT zadneprovskiiûa vliânieargonanastrukturuisvoistvatisinpokrytiipolučennyhprivakuumnodugovomosaždeniivgazovoismesiazotargon AT lominons vliânieargonanastrukturuisvoistvatisinpokrytiipolučennyhprivakuumnodugovomosaždeniivgazovoismesiazotargon AT sobolʹov vliânieargonanastrukturuisvoistvatisinpokrytiipolučennyhprivakuumnodugovomosaždeniivgazovoismesiazotargon AT belousva vplivargonunastrukturutavlastivostítisinpokrittívotrimanihprivakuumnodugovomuosadžennívgazovíisumíšíazotargon AT zadneprovskiiûa vplivargonunastrukturutavlastivostítisinpokrittívotrimanihprivakuumnodugovomuosadžennívgazovíisumíšíazotargon AT lominons vplivargonunastrukturutavlastivostítisinpokrittívotrimanihprivakuumnodugovomuosadžennívgazovíisumíšíazotargon AT sobolʹov vplivargonunastrukturutavlastivostítisinpokrittívotrimanihprivakuumnodugovomuosadžennívgazovíisumíšíazotargon AT belousva influenceofargononstructureandpropertiestisinofthecoatingreceiveatvacuumarcdepositioningasmixturenitrogenargon AT zadneprovskiiûa influenceofargononstructureandpropertiestisinofthecoatingreceiveatvacuumarcdepositioningasmixturenitrogenargon AT lominons influenceofargononstructureandpropertiestisinofthecoatingreceiveatvacuumarcdepositioningasmixturenitrogenargon AT sobolʹov influenceofargononstructureandpropertiestisinofthecoatingreceiveatvacuumarcdepositioningasmixturenitrogenargon |
| first_indexed |
2025-11-26T01:42:41Z |
| last_indexed |
2025-11-26T01:42:41Z |
| _version_ |
1850604807158497280 |
| fulltext |
114 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2012. №5(81)
УДК 621.793
ВЛИЯНИЕ АРГОНА НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА
Ti-Si-N-ПОКРЫТИЙ, ПОЛУЧЕННЫХ ПРИ ВАКУУМНО-ДУГОВОМ
ОСАЖДЕНИИ В ГАЗОВОЙ СМЕСИ «АЗОТ + АРГОН»
В.А. Белоус1, Ю.А. Заднепровский1, Н.С. Ломино1, О.В. Соболь2
1Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт»,
Харьков, Украина;
2Научно-технический университет «Харьковский политехнический институт»,
Харьков, Украина
Методами структурного анализа (рентгеновская дифрактометрия и высокоразрешающая сканирующая
электронная микроскопия) в сочетании с элементным анализом и изучением твердости
микроиндентированием исследовано влияние аргона в смеси газов N2+Ar на элементно-фазово-структурное
состояние и микротвердость вакуумно-дуговых покрытий системы Ti-Si-N. Установлена возможность
получения в смеси N2+Ar (8…12 %) сверхтвердого состояния (твердость около 50 ГПа). Показано, что такое
состояние определяется нанометровым (25…30 нм) размером кристаллитов нитрида и текстурой роста с
семейством плоскостей {100}, параллельных поверхности роста, что соответствует минимуму
поверхностной энергии. Особенностью процесса осаждения в смеси N2 + Ar при давлении р > 5·10-3 Торр
является повышение эффективности ионизации пленкообразующих частиц, приводящее к увеличению
твёрдости конденсата. Обсуждены механизмы ионно-атомного взаимодействия в газовой среде с аргоновой
составляющей.
1. ВВЕДЕНИЕ
В технологиях получения покрытий различного
состава с помощью источников плазмы
магнетронного типа используется смесь газов, один
из которых – аргон, выступающий в качестве
обязательного плазмообразующего компонента.
При вакуумно-дуговом осаждении покрытий нет
непременной необходимости присутствия аргона в
разряде, поскольку инициирование поджига разряда
и его горение обязаны другому механизму
генерации плазмы – катодным пятнам,
существование которых не требует наличия газовой
среды. Тем не менее, известны работы, когда и в
этом методе в качестве добавок к реакционному
газу (N2 или О2) используются в определённых
пропорциях инертные газы. В основном это
относится к добавкам аргона, как наиболее
технологичного газа, но также известны
эксперименты с добавками других инертных газов.
Технологи, работающие с вакуумно-дуговым
оборудованием, отмечают определённые удобства
при проведении процессов осаждения, когда к
реакционному газу добавляют инертный аргон. В
этом случае существенно легче преодолеваются
стартовые трудности, связанные с запуском
источника плазмы, а разряд в аргоне горит
стабильно, без погасаний. Тем не менее, очевидно,
не следует сводить влияние аргона в процессах
дугового осаждения только к этим особенностям
организации горения самого разряда.
Известны публикации, посвящённые
исследованию влияния инертных газов на свойства
получаемых покрытий. Так в работе [1] показано,
что добавки гелия, неона и криптона в смесях с
аргоном и азотом могут оказывать сильное влияние
на процессы плазменного синтеза посредством
генерации с их помощью химически активных
атомов и ионов N и N+ при диссоциативной
рекомбинации возбуждённых молекул азота, и,
таким образом, в управлении этими процессами
появляется дополнительный инструмент для
контроля за качеством покрытий. В работе [2] при
вакуумно-дуговом осаждении исследованы
механизмы роста плёнок из нитрида хрома в среде
азота с добавками аргона. Было показано, что
давление азота определяет фазовый состав
композита, в то время как парциальное давление
аргона влияет на текстуру плёнок. В работе [3]
авторы использовали инертные газы (аргон и гелий)
совместно с реактивными (азот и кислород) для
экспериментального изучения влияния давления
газа на повышение фильтрующих свойств вакуумно-
дугового устройства.
Несмотря на очевидные изменения структуры и
свойств покрытий, а также улучшение самого
процесса нанесения вследствие более стабильного
разряда при добавлении в реакционную среду
аргона, механизм такого влияния до сих пор
остается неясным. Для прояснения этого вопроса в
данной работе проведены взаимодополняющие
элементно-фазово-структурные исследования роли
аргона, находящегося в реакционном объёме в
составе газовой смеси различных пропорций с
реакционным газом – азотом, при осаждения
покрытий системы Ti-Si-N. Такие покрытия
являются более перспективными для создания
материалов с повышенной твёрдостью по
сравнению с хорошо изученными покрытиями
системы Ti-N.
2. УСЛОВИЯ И МЕТОДИКИ
ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Покрытия системы Ti-Si-N (с толщиной
~ 10 мкм) получались методом вакуумно-дугового
осаждения с использованием в качестве катодного
материала титана, легированного 5 мас. % кремния.
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2012. №5(81) 115
Чтобы учесть влияние малых добавок кремния,
проводился контрольный эксперимент с
покрытиями, полученными с использованием
катода из титана марки ВТ1-0. Начальный вакуум в
камере составлял р = 1·10-5 Торр. Рабочая смесь
газов (N2+Ar) для напуска в камеру создавалась в
отдельном баллоне, и подача её осуществлялась с
помощью автоматического натекателя. Суммарное
давление этой смеси в камере изменялось в
пределах 10-5…10-2 Торр. Ток дуги поддерживался
на уровне 90 А. Расстояние между катодом и
подложкодержателем, к которому крепились
плоские образцы из стали 12Х17 размером
10х20х1 мм, составляло 35 см. Отрицательный
потенциал на подложке – около -50 В.
С помощью газового анализатора MX 7203
аргон и азот, используемые в качестве рабочих
газов, были проверены на содержание примесей.
Обнаружено, что их содержание ниже порога
чувствительности прибора. Элементный состав
получаемых покрытий (соотношение между
компонентами титана и кремния в составе
конденсата Ti-Si-N) определялся методом
рентгенофлуоресцентного анализа на приборе
«Спрут». Контроль элементного состава
конденсатов осуществлялся также ядерно-
физическим методом, позволяющим оценивать
содержание в образце твердых и газовых
составляющих. Этот анализ производился на
аналитическом ядерно-физическом комплексе
«Сокол» (ХФТИ, Харьков).
Скорость осаждения конденсатов V
определялась двумя методами: при помощи
микроинтерферометра МИИ-4 (мкм/ч), и
гравиметрическим методом за фиксированное время
(мкг/(мм2·ч)). Измерения микротвёрдости покрытий
проводились на микротвердомере ПМТ-3 с
пирамидой Виккерса при нагрузке 100 г. Фазовый
состав конденсатов исследовали методами
рентгеновской дифрактометрии на приборе
ДРОН- 3М в излучении Cu-Kα. Фотоснимки
структуры по изломам покрытий получены на
сканирующем электронном микроскопе JSM 700-1.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
На рис. 1 приведены результаты по оценке
скорости осаждения покрытий в азотной или
аргоновой атмосферах в широком диапазоне
изменения их давлений. Как следует из
приведенных зависимостей V(р), при давлениях
ниже 2·10-3 Торр, т. е. когда длина свободного
пробега испаренных и ионизированных частиц
материала катода превышает расстояние «катод–
подложка», скорость осаждения конденсата не
зависит от давления газа. При дальнейшем
повышении давления, когда возрастает вероятность
соударений ионов с молекулами N2 или атомами Ar,
происходит рассеяние исходного потока ионов из
эродирующего катода, и скорость осаждения
снижается, причём в атмосфере азота она остаётся
выше, чем в атмосфере аргона. Таким образом,
аргоновая газовая мишень является более
эффективным рассеивателем для плазмы на основе
Ti, чем азотная газовая мишень. Это является
достаточно прогнозируемым эффектом, так как
потери энергии при столкновении близких по
массам атомов титана и аргона значительно выше,
чем величина энергетических потерь для титана в
азоте.
Рис. 1. Скорость осаждения конденсата
в атмосферах азота (1) и аргона (2)
При использовании смесей газов «азот+аргон» в
различных пропорциях была изучена зависимость
микротвёрдости Нµ получаемых конденсатов в
диапазоне давлений р = 10-5…10-2 Торр (рис. 2).
Рис. 2. Микротвёрдость конденсатов
при различных составах газовых смесей N2 + Ar
в зависимости от общего давления.
Процент аргона в смеси, %: 1- 11; 2 – 0; 3 – 17;
4 – 33; 5 – 100
В атмосфере азота зависимость Нµ (р) имеет
типичное распределение с двумя максимумами
(кривая 2), что характерно для конденсатов системы
Ti-N, получаемых при вакуумно-дуговом осаждении
[4]. Первый максимум при р =5…6.10-4 Торр связан
с появлением кристаллитов нитрида титана. При
этом недостаток азота для формирования в
покрытии стехиометрического по составу
мононитрида титана сопровождается
упорядочением с образованием фазы Ti2N [5, 6].
Содержание кремния в составе покрытий, как было
показано нами ранее [7-8], существенно меньше его
содержания в материале катода, и в таких
количествах (до 1 вес. %) кремний входит в состав
конденсата в виде твёрдого раствора.
116 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2012. №5(81)
Появление второго максимума при более
высоком давлении и соответственно высокой
плотности атомов азота в приповерхностной
области осаждения связывается как с уменьшением
среднего размера зерен-кристаллитов, развитием
напряжений сжатия и обогащением покрытия
азотными атомами [6], так и, может быть,
обусловлено их упорядочением при образовании
вакантных мест в результате селективного
распыления при ионной бомбардировке [2].
Следует отметить, что с увеличением
отрицательного потенциала смещения на подложке
недостаток по азотной составляющей покрытия
усиливается [2], что приводит к необходимости
повышения давления азота для достижения
стехиометрического состава. Присутствие в этих
условиях Si-составляющей в покрытии приводит к
образованию наиболее устойчивого нитрида Si3N4,
что сопровождается ростом твердости [9].
При формировании покрытий в газовой смеси с
различными пропорциями между N2 и Ar (см.
кривые 1, 3, 4 на рис. 2) наблюдаются отличия в
характере поведения зависимостей Нµ (р) по
сравнению с таковыми в чистом азоте (кривая 2).
Это наиболее ярко выражено при давлениях
р > 1·10-3 Торр. Наблюдаемый в этих условиях рост
твёрдости конденсата может быть связан с
дополнительной активацией реакционных
компонент плазмохимического синтеза. Механизм
такой активации (ионизации и диссоциации) описан
в работе [10]. В смеси газов действие этого
механизма приводит к образованию на подложке
плотного конденсата с нехарактерной (для данных
режимов получения покрытий в атмосфере азота)
текстурой кристаллитов с осью [100] (см. спектр 4
на рис. 5). Последние менее подверженны
селективному распылению и обладают высокими
механическими характеристиками.
Следует отметить, что при напуске чистого
аргона в достаточно широком диапазоне давлений
(до р = 2.10-3 Торр) его наличие в разрядном
промежутке не сказывается заметным образом на
микротвёрдости конденсатов, которая остаётся на
уровне значений, характерных для плёнок,
получаемых в высоком вакууме (рис. 2, кривая 5).
Однако при дальнейшем увеличении давления
аргона в интервале р = 3.10-3…10-2 Торр наблюдается
постепенный рост микротвёрдости этих покрытий.
Кроме того, нужно отметить (см. кривую 5 на рис.
2), что в случае использования катода из титана с
5 вес. % Si твердость покрытия при давлении аргона
р = 8.10-3 Торр существенно выше (Нµ =8 ГПа), чем
у покрытия, полученного в тех же условиях при
использовании катода из титана марки ВТ-1-0, для
которого Нµ = 2,3 ГПа.
Анализ субструктурных характеристик показал,
что размер кристаллитов, определенный методом
аппроксимации формы дифракционных максимумов
от плоскостей (по двум порядкам) [11], составляет
для низкого давления аргона р = 5·10-4 Торр
величину 42 нм, а для большего давления
(р = 5.10-3 Торр) – величину 23 нм. (Результаты
влия-ния атмосфер разного состава на размер
кристаллитов получаемых покрытий приведены в
табл. 1).
Таблица 1
Влияние условий осаждения (газовая среда и
давление) на размеры кристаллитов в покрытиях
Условия осаждения
Газовая среда P, Topp
Размер кристал-
литов, нм
Ar 5·10-4 42
Ar 5·10-3 23
N2 1,2·10-3 45
N2 8·10-3 40
11%Ar 9·10-4 28,5
11%Ar 8·10-3 27
Такие результаты хорошо укладываются в
механизм роста покрытия в атмосфере аргона, в
соответствии с которым, при увеличении давления,
когда длина свободного пробега ионов металла
становится меньше расстояния «катод-подложка»,
их рассеяние в газовом пространстве приводит к
уменьшению средней энергии пленкообразующих
частиц и увеличению числа мест зарождения из-за
их меньшей подвижности на осаждаемой
поверхности. Результатом последнего, по-
видимому, и является наблюдаемое уменьшение
среднего размера зерен-кристаллитов при
повышении давления аргоновой атмосферы.
Рис. 3. Концентрация кремния (1)
и микротвёрдость покрытий (2)
при разных давлениях рабочего газа – аргона
На рис. 3 в увеличенном масштабе представлена
одна из зависимостей Нµ (РAr) (см. рис. 2, кривая 5)
и для сопоставления с ней приведена кривая
содержания кремния в покрытии. Видна хорошая
корреляция между величинами СSi и Н µ, имеющая
место при всех давлениях аргона из диапазона
10-5…10-2 Торр, т. е. причина увеличения
микротвёрдости покрытия непосредственно связана
с увеличением в нём относительного содержания
кремния. Наиболее вероятными причинами
повышения твердости при РAr > 10-3 Торр является
уменьшение длины свободного пробега,
приводящее к столкновительному режиму в газовой
атмосфере промежутка «катод–подложка». В этом
случае из-за большего рассеяния Ti (вследствие
близости масс Ti и Ar) происходит обогащение
покрытия более легкими атомами Si и измельчение
зерен-кристаллитов.
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2012. №5(81) 117
На рис. 4 приведена зависимость Нµ(СSi) для
покрытий, полученных при определённом значении
давления газовой смеси N2 + Ar, а именно, при
р = 8·10-3 Торр, т. е. при котором наблюдаемые на
рис. 2 увеличения микротвёрдости наиболее
существенны. Из рисунка видно, что существует
оптимальная пропорция газов в смеси (в данном
случае
2
Ar
N Ar
p
0.11
p p
≈
+
), при которой
микротвёрдость конденсата имеет максимальную
величину – вблизи 50 ГПа, что заметно превышает
соответствующее значение Нµ для покрытий
нитрида титана, полученных в азотной среде
(26,7 ГПа).
Рис. 4. Микротвёрдость конденсатов
при различных содержаниях
аргона в смеси N2+ Ar (р = 8·10-3 Торр)
При отклонении от этой пропорции в сторону
уменьшения или увеличения процентного
содержания аргона наблюдается снижение
микротвёрдости. Необходимо отметить, что в
аргоновой атмосфере при р > 1·10-3 Торр не
происходит снижения микротвёрдости до величины,
полученной для покрытия, осаждённого без напуска
газа.
На рис. 5 представлены рентгенодифракционные
спектры покрытий, полученных при двух значениях
давления (р1 = 9·10-4 и р2 = 8·10-3 Торр) как в среде
чистого азота, так и в смеси газов (азот+аргон) с
оптимальным содержанием аргона (~ 10 %), т.е. в
условиях получения наибольшей твердости
покрытий. Эти рентгенодифракционные спектры
свидетельствуют об однофазности получаемых в
этих условиях конденсатов, как в первом, так и во
втором режимах осаждения. В покрытиях,
осаждаемых в чистом азоте при более низком
давлении азота (р1 = 9·10-4 Торр), формируется
преимущественная ориентация кристаллитов
(аксиальная текстура) с плоскостью (111),
параллельной поверхности роста. При повышении
давления азота появляется также и другая
ориентация для фазы ТiN – (220). И лишь в спектре
4 для покрытия, полученного в смеси газов при
высоком давлении, наблюдается характерная только
для этого состояния преимущественная ориентация
плоскости (200) параллельно поверхности роста (см.
рис. 5).
Рис. 5. Участки рентгенодифракционных спектров покрытий состава Ti-Si-N, полученных в разных
газовых средах: 1 и 2 – в среде азота; 3 и 4 в смеси (азот+аргон) с содержанием аргона ~ 10 %
при давлениях 1 и 3 – р1 = 9·10-4 Торр, а 2 и 4 – р2 = 8·10-3 Торр (интенсивности нижней пары кривых
для сравнения с интенсивностями верхней пары кривых надо увеличить в 2,5 раза)
118 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2012. №5(81)
В этом диапазоне давлений возможно
образование фазы Si3N4, ответственной за
повышение относительного содержания кремния в
покрытии. Действительно, в этом случае
образование связанного комплекса атомов с
высокой суммарной массой должно приводить к
снижению распыляющего воздействия атомами
титана в процессе конденсации [8, 12]. Однако фаз
нитрида кремния в покрытии методом
рентгеновской дифрактометрии не обнаружено,
возможно, в силу их рентгеноаморфности. При этом
не выявлено и других фаз, способных быть
ответственными за повышение микротвёрдости
конденсата.
При большем давлении отмечено увеличение
полуширины рефлексов и уменьшение их
интенсивности, что соответствует уменьшению
среднего размера кристаллитов. Размер
кристаллитов, определенный методом
аппроксимации по ширине профиля двух порядков
отражения дифракционных рефлексов, уменьшается
с повышением давления чисто азотной атмосферы
от 45 нм до 40 нм (при р2 = 8·10-3 Торр). В случае
смеси (азот+аргон) с содержанием аргона ~ 10 %
при давлении р1 = 9·10-4 Торр средний размер кри-
сталлитов составлял 28,5 нм, а при р2 = 8·10-3 Торр
размер составлял 27 нм (см. табл. 1). Еще одной
возможностью повышения твердости в этом случае
является синтез карбидных соединений типа Ti-С,
образованных при проведении процесса в условиях
масляных систем получения вакуума внутри
вакуумной камеры, когда в плазмохимический
синтез могут включаться атомы углерода, входящие
в состав паров (газов) от паромасляного
диффузионного насоса. Их состав представляет
собой широкий набор углеводородных соединений
типа СnHm c массовыми числами до 250, и в
условиях вакуумно-дугового разряда не исключена
возможность разложения этих соединений с
образованием карбидов, имеющих повышенные
прочностные характеристики. К тому же известно,
что при давлениях вблизи р ~ 10-2 Торр скорость
откачки диффузионного насоса начинает снижаться,
и в камере нарастает противоток паров масел. Эти
механизмы можно считать несущественными по
нескольким причинам. Во-первых, сравнительный
эксперимент, проведенный в условиях
вымораживания паров масел с использованием
азотной ловушки, не изменил наблюдаемого
эффекта повышения микротвёрдости в аргоновой
среде в этом же интервале давлений. Во- вторых, и
это наиболее важно для снятия выдвинутого
предположения, прирост Н µ, приведенный на
рис. 4, связан не только с определённым давлением
в камере, но и с конкретным соотношением между
составляющими в газовой смеси.
Рентгеноструктурный анализ этих покрытий также
не выявил наличия карбидных фаз.
С помощью ядерно-физической методики был
исследован элементный состав покрытий,
получаемых при разных давлениях в различных
газовых средах (азот, аргон) и в остаточном вакууме
(табл. 2). Из таблицы следует, что содержание
углерода в покрытии находится ниже предела
чувствительности метода, а присутствие кислорода
в указанных в таблице количествах также не может
оказывать существенного влияния на свойства (в
данном случае на микротвёрдость) конденсата. При
получении покрытий в атмосфере аргона при
давлении р = 5·10-3 Торр отмечено наличие аргона в
количестве 0,74 % в составе конденсата.
Наблюдаемые различия в оценках концентраций
кремния, проведенных ядерно-физическим (ЯФМ) и
рентгенофлуоресцентным (РФМ) методами,
незначительны и связаны с особенностями этих
методов.
Таблица 2
Относительное содержание элементов в различных покрытиях
Концентрация, вес. % (ЯФМ) Газовая
среда P, Toрр
C O N Ar Si
Содержание Si,
вес.% (РФМ)
1. Вакуум 2·10-5 - <0,01 - - 2,79 1,5
2. Ar 5·10-3 - <0,01 - 0,74 4,69 3
3. N2 9·10-4 - <0,01 23,64 - 1,49 1
4. N2 8·10-3 - <0,01 25,34 - 4,33 2,9
Увеличение твердости при напуске в вакуумную
камеру аргона наблюдалось и на чистом титане
марки ВТ-1-0. Так, при давлении р = 5·10-3 Торр
микротвёрдость покрытия Hµ = 2.3 ГПа, в то время
как без напуска аргона (р = 5·10-5 Торр) Hµ =
1,6 ГПа. Такой результат можно связать как с
уменьшением размера кристаллитов с ростом
давления Ar, так и, по-видимому, с искажениями
кристаллической решётки α-Ti, вызванными
присутствием в ней атомов аргона.
При этом, как видно из рис. 6,
рентген0дифракционные спектры от полученных в
аргоне покрытий имеют схожий вид как при низком,
так и при высоком давлениях аргона и
свидетельствуют о присутствии фазы α-Ti с
преимущественной ориентацией базисной
плоскости (002) параллельно поверхности роста.
Отметим также уменьшение интенсивности (см.
вставку рис. 6) и увеличение полуширины
рефлексов α-Ti при повышении давления аргоновой
атмосферы.
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2012. №5(81) 119
Рис. 6. Участки рентгенодифракционных спектров
покрытий, полученных из титана ВТ-1-0
при разных давлениях аргона
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
В пространстве вакуумной камеры между
катодом и подложкой, на которую осуществляется
осаждение покрытий, происходят процессы
упругого и неупругого рассеяний продуктов эрозии
катодного материала (ионов и атомов титана и
кремния) на атомах Ar и молекулах N2. Процессы
упругого рассеяния, связанные с изменением
вектора скорости, приводят в общем случае к
уменьшению потока ионов Ti и Si на подложку, т. е.
к снижению скорости осаждения покрытий. Этот
эффект начинает проявляться, когда длина
свободного пробега атомов и молекул газовой смеси
становится меньше расстояния между катодом и
подложкой. Процессы неупругого рассеяния
ионного компонента дугового разряда связаны с
возбуждением и ионизацией атомов аргона, а также
с аналогичными процессами для молекул азота и с
вероятностью их диссоциации. Таким образом,
вблизи поверхности, на которую конденсируется
покрытие, находятся как продукты эрозии катода,
претерпевшие взаимодействие с газовой средой, так
и заряженные и нейтральные компоненты газов.
При подаче на подложку отрицательного
потенциала смещения происходит доускорение
ионов разного сорта в зону конденсации. На
поверхности подложки осуществляется синтез
соединений из химически активных элементов – в
данном случае формируется конденсат системы
Ti-Si-N.
Если сопоставить микротвердость со
структурным состоянием материала, то видно, что
наибольшее значение микротвердости (около
50 ГПа, см. рис. 4) соответствует структурному
состоянию покрытия с преимущественной
ориентацией параллельно поверхности роста
плоскости (200) (см. спектр 4 на рис.5). Как следует
из работы [12], для мононитрида титана с
кристаллической решеткой типа NaCl наибольшей
ретикулярной плотности отвечает плоскость (200) с
плотностью 4 атом/a2 (где а – период решетки).
Плоскости (220) и (111) имеют меньшую
ретикулярную плотность 2,83 и 2,31 атом/a2
соответственно. В соответствии с приведенными
выше оценками поверхностной плотности
появление плоскости преимущественной
ориентации (200) отвечает минимуму
поверхностной энергии. Этот критерий является
определяющим в ориентации кристаллитов при
относительно высокой поверхностной энергии, но
невысоком действии деформационного фактора в
результате подповерхностной ионной имплантации
[2, 12]. При определяющем влиянии последнего в
случае двухосного напряженного состояния в
покрытиях образуется текстура с параллельной
поверхности роста плоскостью (111) [6].
Следует также отметить, что в покрытиях с
наибольшей твердостью размер кристаллитов
составлял 27 нм, что определяет близкие к
максимальным упругие свойства таких
кристаллитов. Это следует из того, что, поскольку
минимальные напряжения, требуемые для
дислокационных источников (таких как Франка-
Рида), обратно пропорциональны расстоянию между
точками зацепления дислокации, эти напряжения
будут возрастать с уменьшением размера зерна в
нанокристаллических материалах благодаря
ограничению расстояния между такими точками
зацепления. Поэтому измельчение зерна до
наноструктурного уровня уменьшает плотность
дислокаций в объеме кристаллитов и в таком
бездислокационном кристалле могут быть
достигнуты близкие к теоретическим значения
предела текучести и твердости. Проведенные
оценки показывают, что дислокационные петли в
случае источников дислокаций типа Франка-Рида не
могут быть устойчивыми, если их радиус R < Rc
≈ G·b/τд, где G − модуль сдвига; b − вектор
Бюргерса; τд − стартовые напряжения для
дислокаций[13]. При τд, близком к теоретическому
пределу прочности решетки на сдвиг
(~ 0,01…0,1 G), Rc < 10…100b ≈ 3…30 нм. Поэтому
при полученном размере кристаллитов 27 нм
необходимые для их действия напряжения должны
быть выше теоретической прочности. При этом, как
видно из рис. 7, сравнение структур по изломам
покрытий, осаждённых в разных газовых средах,
обнаруживает отличия, заключающиеся в том, что
на изломе покрытия, осаждённого в атмосфере азота
(см. рис. 7,а), прослеживаются остатки столбчатой
структуры, которая полностью отсутствует в
покрытии, полученном в газовой смеси (N2+11%Ar)
(см. рис. 7,б). Кроме того, в первом случае
большинство фрагментов излома находится
преимущественно в одной плоскости, и на
фотографии они выглядят одинаково резко, тогда
как в покрытии, полученном в смеси N2+ Ar , эти
фрагменты находятся в разных плоскостях, что
качественно подтверждает существенное различие
сравниваемых структур.
120 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2012. №5(81)
а б
Рис. 7. Фотография излома образцов с покрытиями, полученными в различных газовых средах
(р = 8·10-3 Торр): а – N2; б – 11 %Ar в смеси N2+ Ar.
(Верхний и нижний ряды фотографий отличаются увеличениями)
Узкий диапазон составов смеси N2+Ar, при
котором обеспечивается достижение сверхтвердого
состояния (см. рис. 4), можно объяснить следующим
образом. При повышении содержания аргона в
газовой смеси в диапазоне 0…11 % наблюдается
увеличение твёрдости осаждаемых кондесатов
вследствие реализации дополнительных эффектов
активации продуктов плазмохимического синтеза, о
которых будет сказано ниже. Дальнейшее
увеличение доли аргоновых атомов в составе смеси
приводит к дефициту азота как
нитридообразующего компонента и твёрдость
покрытий снижается. В работе [15] спектральными
и зондовыми методами было показано, что в
определённом диапазоне давления (3·10-2 > р > 5·10-
3 Торр) различные газы – речь идёт об азоте, аргоне
или гелии, присутствующие в разрядном
промежутке вакуумно-дугового разряда, оказывают
существенное влияние на негазовую (в данном
случае титановую) компоненту плазмы, запуская
дополнительный механизм активации
плёнкообразующих частиц, связанный с наличием в
объёме плазмы долгоживущих метастабильных
атомов и молекул газа, повышающих
эффективность взаимодействия эродируемого с
катода материала с газовой атмосферой. Передача
энергии от этих возбуждённых атомов и молекул
газа к частицам титана, находящимся как в виде
капель, так и в виде нейтральных паров и ионов,
приводит к дополнительной ионизации, и при
определённом давлении газа наблюдается
существенный рост концентраций ионов титана [16].
Например, для азота эффективным каналом
образования ионов титана может стать процесс:
Ti +N2(A 3Σи
+) →Ti+ + N2(X ‘Σg
+) + e, (1)
а для аргона:
Ti +Ar(3P0,2) →Ti+ + Ar + e, (2)
где N2(A 3Σи
+) и Ar(3P0,2) – метастабильные
состояния с энергиями 6,22 и 11,72 эВ
соответственно [14].
Схема рождения ионов более высоких
зарядностей может быть аналогичной, т. е. в
результате соударения с возбуждёнными частицами,
хотя при этом не исключается вклад
многоступенчатых процессов ионизации
электронным ударом. Эффективность этих
механизмов ионизации, вторичных по отношению к
процессам ионизации, происходящим в катодном
пятне, зависит от рода напускаемого в объём
камеры газа (азота, аргона или гелия) и становится
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2012. №5(81) 115
заметной при давлениях газов р > 5·10-3 Торр.
Необходимо отметить, как показали результаты
экспериментов, эффективность ионизации по каналу
(2) выше эффективности по – (1) [16]. Т. е.
дополнительная активация металлической
компоненты плазменного потока стимулирует более
эффективное осуществление плазмохимического
синтеза покрытий и позволяет использовать
капельную фазу в качестве дополнительного
источника пленкообразующих частиц, обуславливая
большую однородность по составу покрытия.
Кроме указанных процессов по активации
негазовых компонент в объёме камеры протекают
процессы, связанные с поставкой в зону
конденсации продуктов диссоциации и активации
азотной компоненты, а именно: молекулярных
ионов и атомов азота – через канал столкновений
возбуждённых атомов и ионов аргона с молекулами
азота.
Таким образом, уяснение роли аргоновой
атмосферы в процессе формирования структуры и
свойств вакуумно-дуговых покрытий на основе
титана показало, что аргоновая газовая среда
является сильным рассеивателем для атомов и ионов
металла (титана) из-за большой потери энергии при
столкновении, уменьшая подвижность
пленкообразующих атомов и увеличивая число мест
зарождения и, таким образом, стимулируя
формирование наноразмерных кристаллитов с
ориентацией, соответствующей минимальной
поверхностной свободной энергии. Также при
высоких давлениях газовой смеси N2+Ar
определенного содержания к заметному увеличению
твердости конденсата приводит повышение
эффективности ионизации пленкообразующих
частиц.
5. ВЫВОДЫ
1. Выявлена область давлений р > 5·10-3 Торр,
в которой присутствие Ar в газовой среде приводит
к повышению твердости покрытий системы Ti-Si-N.
2. Определено оптимальное, с точки зрения
повышения твердости, содержание аргона (8…12 %)
в смеси N2 + Ar. При использовании данного состава
газовой смеси получено сверхтвердое (твердость
около 50 ГПа) покрытие
3. Показано, что сверхтвердое состояние
Ti-Si-N-покрытий, полученных в смеси N2 + Ar,
определяется нанометровым (27 нм) размером
кристаллитов нитрида титана и минимумом их
поверхностной энергии. Последнее обеспечивается
преимущественной ориентацией кристаллитов с
плоскостью (200), параллельной поверхности роста.
4. Особенностью осаждения покрытий при
содержании аргона (8…12 %) в смеси N2 + Ar,
приводящего к получению конденсатов с
повышенной твёрдостью, является проявление
механизма дополнительной активации
плёнкообразующих компонент в диапазоне
давлений р > 5·10-3 Торр.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. M. Braic, C.N. Zoita, V. Braic, A. Kiss,
M. Popescu, G. Musa. Influence of He, Ne and Kr
addition in reactive Ar/N2 dc magnetron plasma on TiN
deposition // Vacuum. 1999, v. 53, p. 41-45.
2. Gautier-C Machet-J // Study of the Growth
Mechanisms of Chromium Nitride Films Deposited by
Vacuum – Arc Evaporation Thin Solid Films. 1997,
v 295, Iss 1-2, p. 43-52.
3. V.N. Zhitomirsky, U. Kinrot, B. Alterkop,
R.L. Boxman, S. Goldsmith. Influence of gas pressure
on the ion current and its distribution in a filtered
vacuum arc deposition system // Surface and Coatings
Technology. 1995, v. 86-87, p. 263-270.
4. И.И. Аксенов, Ю.П. Антурьев, В.Г. Брень и
др. Влияние давления газа в реакционном объеме на
процесс синтеза нитридов при конденсации плазмы
металлов // Химия высоких энергий. 1986, в. 20, №1,
с. 82-86.
5. В.В. Кунченко, И.И. Аксёнов. Формиро-
вание TiNx-покрытий конденсацией плазмы дуги
низкого давления с положительным анодным
падением потенциала // ВАНТ. Серия «Физика
радиационных повреждений и радиационное
материаловедение». 2000, №4, с.165-172.
6. А.А. Азаренков, О.В. Соболь, А.Д. Погреб-
няк, В.М. Береснев // Инженерия вакуумно-
плазменных покрытий. Харьков: изд-во ХНУ
им. Каразина, 2011, 344 с].
7. I.I. Aksenov, V.A. Belous,
Yu.A. Zadneprovskiy, A.S. Kuprin, N.S. Lomino,
V.D. Ovcharenko, O.V. Sobol. Influence of Nitrogen
Pressure on Silicon Content in Ti-Si-N Coating
Deposited by the Vacuum-Arc method // 24th
International Symposium on Discharges and Electrical
Insulation in Vacuum, (ISDEIV, Germany,
Braunschweig, September 2010), p. 24-27
8. И.И. Аксёнов, В.А. Белоус, С.К. Голтвя-
ница, В.С. Голтвяница, Ю.А. Заднепровский,
А.С. Куприн, Н.С. Ломино, О.В. Соболь. Перенос и
удержание кремния в Тi-Si-N-покрытиях в процессе
вакуумно-дугового осаждения // ВАНТ. «Физика
радиационных повреждений и материаловедение»,
№5, 2010, с.119-125
9. S. Veprek, A.S. Argon, R.F. Zhang. Origin of
the hardness enhancement in superhard nc-TiN/a-Si3N4
and ultrahard nc-TiN/a-Si3N4/TiSi2 // Philosophical
Magazine Letters. 2007, v. 87 (12), p. 955-966.
10. N.S. Lomino, V.D. Ovcharenko, A.A.
Andreev. On Mechanism of Vacuum-Arc Plasma
Activation in the Range of Pressures 1 – 10 Pa // IEEE
Transactions on Plasma Science. 2005, v. 33, N5,
p. 1626-1630.
11. Л.С. Палатник, М.Я. Фук, В.М. Косевич //
Механизм образования и субструктура
конденсированных пленок. М.: «Наука», 1972, 320 с.
12. J. Pelleg, L.Z. Zevin, S. Lungo, N. Croitoru.
Reactive-sputter-deposited TiN films on glass substrates
// Thin Solid Films, 1991, v. 197, p. 117-128.
13. Ю.И. Головин. Введение в нанотехнику. М.:
«Машиностроение», 2007, 496 с.
121
116 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2012. №5(81)
14. W.L. Borst, S.L. Chang. Exitation of
matastable vibrational levels by electron impact J.
Chem. Phys. 1973, v. 59, №11, р. 5830-5836.
15. И.И. Демиденко, Н.С. Ломино, В.Д. Овча-
ренко, В.Г. Падалка, Г.Н. Поляковa. Исследование
состояния титановой плазмы // Химия высоких
энергий. 1986, т. ХХ, в. 6, с. 538-540.
16. Н.С. Ломино, В.Д. Овчаренко, Г.Н. Поля-
кова, А.А. Андреев, В.М. Шулаев. Межэлектродная
плазма вакуумной дуги в атмосфере азота // Сб.
докладов 5 Международного симпозиума «Ваку-
умные технологии и оборудование». Харьков, 2002,
с. 202-222.
Статья поступила в редакцию 24.05.2012 г.
ВПЛИВ АРГОНУ НА СТРУКТУРУ ТА ВЛАСТИВОСТІ Ti-Si-N ПОКРИТТІВ,
ОТРИМАНИХ ПРИ ВАКУУМНО-ДУГОВОМУ ОСАДЖЕННІ
В ГАЗОВІЙ СУМІШІ «АЗОТ+АРГОН»
В.А. Білоус, Ю.О. Задніпровський, М.С. Ломіно, О.В. Соболь
Методами структурного аналізу (рентгенівська дифрактометрія і високоришальна скануюча електронна
мікроскопія) у поєднанні з елементним аналізом і вивченням твердості мікроіндентуванням досліджений
вплив аргону в суміші газів N2+Ar на елементно-фазово-структурний стан і мікротвердість вакуумно-
дугових покриттів системи Ti-Si-N. Встановлена можливість отримання в суміші N2+Ar (8…12 %)
надтвердого стану (твердість близько 50 ГПа). Показано, що такий стан визначається нанометровим
(25…30 нм) розміром кристалітів нітриду і текстурою зростання з сімейством площин {100}, паралельних
поверхні росту, що відповідає мінімуму поверхневої енергії. Особливістю процесу осадження в суміші
N2+Ar при тиску р > 5·10-3 Торр є підвищення ефективності іонізації плівкоутворюючих часток, що
призводить до збільшення твердості конденсату. Обговорені механізми іонно-атомної взаємодії в газовому
середовищі з аргоновою складовою.
INFLUENCE OF ARGON ON STRUCTURE AND PROPERTIES Ti-Si-N OF THE COATING
RECEIVE AT VACUUM-ARC DEPOSITION IN GAS MIXTURE “NITROGEN+АRGON”
V.A. Belous, Yu.A. Zadneprovskiy, N.S. Lomino, O.V. Sobol
Influence of argon in mixture of gases N2+Ar on elemental-phase-structural state and micro hardness of vacuum-
arc coating of system Ti-Si-N was researched by methods of structure analysis (x-ray diffractometry and high-
resolution scanning electronic microscopy) in combination with elemental analysis and studying of hardness by
micro indentation. The opportunity of reception in mixture N2+Ar (8…12 %) superhard state (hardness nearby
50 ГПа) was demonstrated. It is shown, that such state is defined nanometer (25…30 nanometers) by size of crystal
grains of nitride and growth of the texture with family of planes {100}, which parallel surface of growth that
corresponds to minimum of surface energy. Feature of process of deposition in mixture N2+Ar at pressure
5·10-3 Торр is increasing of efficiency of ionization of the film-forming particles, leading magnification of hardness
of condensate. Mechanisms of ionic-atomic interaction in gas medium with argon component are discusses.
122
|