Структура и твердость Ti-N- и Ti-Si-N-покрытий, осажденных из фильтрованной вакуумно-дуговой плазмы
Представлены результаты экспериментов по осаждению Ti-N- и Ti-Si-N-покрытий из фильтрованной плазмы вакуумно-дугового разряда с Ti- и Ti-7 вес.%Si-катодами при давлении азота 1·10⁻⁴ … 5·10⁻³ Торр и потенциале подложки 3…150 В. Установлено, что содержание примеси Si в Ti для пленок системы Ti-Si-N из...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Datum: | 2009 |
| Hauptverfasser: | , , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2009
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/111121 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Структура и твердость Ti-N- и Ti-Si-N-покрытий, осажденных из фильтрованной вакуумно-дуговой плазмы / В.В. Васильев, А.А. Лучанинов, Е.Н. Решетняк, В.Е. Стрельницкий, Г.Н. Толмачева, М.В. Решетняк // Вопросы атомной науки и техники. — 2009. — № 2. — С. 173-180. — Бібліогр.: 20 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-111121 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Васильев, В.В. Лучанинов, А.А. Решетняк, Е.Н. Стрельницкий, В.Е. Толмачева, Г.Н. Решетняк, М.В. 2017-01-08T10:52:13Z 2017-01-08T10:52:13Z 2009 Структура и твердость Ti-N- и Ti-Si-N-покрытий, осажденных из фильтрованной вакуумно-дуговой плазмы / В.В. Васильев, А.А. Лучанинов, Е.Н. Решетняк, В.Е. Стрельницкий, Г.Н. Толмачева, М.В. Решетняк // Вопросы атомной науки и техники. — 2009. — № 2. — С. 173-180. — Бібліогр.: 20 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/111121 539.21:621.793 Представлены результаты экспериментов по осаждению Ti-N- и Ti-Si-N-покрытий из фильтрованной плазмы вакуумно-дугового разряда с Ti- и Ti-7 вес.%Si-катодами при давлении азота 1·10⁻⁴ … 5·10⁻³ Торр и потенциале подложки 3…150 В. Установлено, что содержание примеси Si в Ti для пленок системы Ti-Si-N изменяется от 1 до 6 вес.% и сильно уменьшается при подаче отрицательного потенциала смещения на под-ложку. Рентгенографически изучены структура, текстура, субструктура и напряженное состояние покрытий. Основными кристаллическими фазами в покрытиях являются TiN и твердый раствор (Ti,Si)N со структурой типа NaCl. В исследованном диапазоне концентраций кремния размер областей когерентного рассеяния (ОКР) в пленках (Ti,Si)N существенно не отличается от ОКР в TiN. Высокая нанотвердость полученных покрытий (33…39 ГПа) обусловлена крайне дефектной кристаллической решеткой и высоким уровнем сжимающих остаточных напряжений. Введение Si в TiN-покрытия увеличивает их твердость. Наведено результати експериментів по осадженню Ti-N- та Ti-Si-N-покриттів з фільтрованої плазми вакуумно-дугового розряду з Ti- й Ti-7 ваг.%Si-катодів при тиску N2 1·10⁻⁴ … 5·10⁻³ Торр и потенціалі підкладки 3…150 В. Встановлено, що вміст домішки Si в Ti для плівок системи Ti-Si-N змінюється від 1 до 6 ваг.% і сильно зменшується при подачі потенціалу зміщення на підкладку. Рентгенографічно вивчено структура, текстура, субструктура та напружений стан покриттів. Основними кристалічними фазами в покриттях є TiN і твердий розчин (Ti,Si)N зі структурою типу NaCl. У дослідженому діапазоні концентрацій кремнію розмір областей когерентного розсіювання (ОКР) у плівках (Ti,Si)N істотно не відрізняється від ОКР в TiN. Висока нанотвердість отриманих покриттів (33…39 ГПа) обумовлена вкрай дефектною кристалічною решіткою та високим рівнем стискаючих залишкових напружень. Введення Si в TiN-покриття збільшує їх твердість. Results of experiments on Ti-N and Ti-Si-N coatings deposition from the filtered vacuum-arc plasma with Ti and Ti-7 wt% Si cathodes at the nitrogen pressure range of 1·10⁻⁴ … 5·10⁻³ Torr and negative substrate potential of 3…150 V are presented. Si concentration in Ti-Si-N coatings is of 1…6 wt.% and is decreased when the value of the substrate potential increased. Structure, texture, sub-structure and stress level in the coatings were investigated by X-ray methods. TiN phase and (Ti,Si)N solid solution with the NaCl crystal structure were shown to be the main crystal phases in the coatings. At Si concentrations level achieved the value of the coherence area size in the (Ti,Si)N coatings is nearly of the same level as that in the TiN coatings. High nano-hardness of the coatings (33…39 GPa) is determined by the extremely defected crystal lattice and compressive stress of high level. Si introduction in the Ti-N coatings results in increasing in their hardness. ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Физика радиационных и ионно-плазменных технологий Структура и твердость Ti-N- и Ti-Si-N-покрытий, осажденных из фильтрованной вакуумно-дуговой плазмы Структура і твердість Ti-N- та Ti-Si-N-покриттів, осаджених з фільтрованої вакуумно-дугової плазми Structure and hardness of Ti-N and Ti-Si-N coatings deposited from the filtered vacuum-arc plasma Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Структура и твердость Ti-N- и Ti-Si-N-покрытий, осажденных из фильтрованной вакуумно-дуговой плазмы |
| spellingShingle |
Структура и твердость Ti-N- и Ti-Si-N-покрытий, осажденных из фильтрованной вакуумно-дуговой плазмы Васильев, В.В. Лучанинов, А.А. Решетняк, Е.Н. Стрельницкий, В.Е. Толмачева, Г.Н. Решетняк, М.В. Физика радиационных и ионно-плазменных технологий |
| title_short |
Структура и твердость Ti-N- и Ti-Si-N-покрытий, осажденных из фильтрованной вакуумно-дуговой плазмы |
| title_full |
Структура и твердость Ti-N- и Ti-Si-N-покрытий, осажденных из фильтрованной вакуумно-дуговой плазмы |
| title_fullStr |
Структура и твердость Ti-N- и Ti-Si-N-покрытий, осажденных из фильтрованной вакуумно-дуговой плазмы |
| title_full_unstemmed |
Структура и твердость Ti-N- и Ti-Si-N-покрытий, осажденных из фильтрованной вакуумно-дуговой плазмы |
| title_sort |
структура и твердость ti-n- и ti-si-n-покрытий, осажденных из фильтрованной вакуумно-дуговой плазмы |
| author |
Васильев, В.В. Лучанинов, А.А. Решетняк, Е.Н. Стрельницкий, В.Е. Толмачева, Г.Н. Решетняк, М.В. |
| author_facet |
Васильев, В.В. Лучанинов, А.А. Решетняк, Е.Н. Стрельницкий, В.Е. Толмачева, Г.Н. Решетняк, М.В. |
| topic |
Физика радиационных и ионно-плазменных технологий |
| topic_facet |
Физика радиационных и ионно-плазменных технологий |
| publishDate |
2009 |
| language |
Russian |
| container_title |
Вопросы атомной науки и техники |
| publisher |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Структура і твердість Ti-N- та Ti-Si-N-покриттів, осаджених з фільтрованої вакуумно-дугової плазми Structure and hardness of Ti-N and Ti-Si-N coatings deposited from the filtered vacuum-arc plasma |
| description |
Представлены результаты экспериментов по осаждению Ti-N- и Ti-Si-N-покрытий из фильтрованной плазмы вакуумно-дугового разряда с Ti- и Ti-7 вес.%Si-катодами при давлении азота 1·10⁻⁴ … 5·10⁻³ Торр и потенциале подложки 3…150 В. Установлено, что содержание примеси Si в Ti для пленок системы Ti-Si-N изменяется от 1 до 6 вес.% и сильно уменьшается при подаче отрицательного потенциала смещения на под-ложку. Рентгенографически изучены структура, текстура, субструктура и напряженное состояние покрытий. Основными кристаллическими фазами в покрытиях являются TiN и твердый раствор (Ti,Si)N со структурой типа NaCl. В исследованном диапазоне концентраций кремния размер областей когерентного рассеяния (ОКР) в пленках (Ti,Si)N существенно не отличается от ОКР в TiN. Высокая нанотвердость полученных покрытий (33…39 ГПа) обусловлена крайне дефектной кристаллической решеткой и высоким уровнем сжимающих остаточных напряжений. Введение Si в TiN-покрытия увеличивает их твердость.
Наведено результати експериментів по осадженню Ti-N- та Ti-Si-N-покриттів з фільтрованої плазми вакуумно-дугового розряду з Ti- й Ti-7 ваг.%Si-катодів при тиску N2 1·10⁻⁴ … 5·10⁻³ Торр и потенціалі підкладки 3…150 В. Встановлено, що вміст домішки Si в Ti для плівок системи Ti-Si-N змінюється від 1 до 6 ваг.% і сильно зменшується при подачі потенціалу зміщення на підкладку. Рентгенографічно вивчено структура, текстура, субструктура та напружений стан покриттів. Основними кристалічними фазами в покриттях є TiN і твердий розчин (Ti,Si)N зі структурою типу NaCl. У дослідженому діапазоні концентрацій кремнію розмір областей когерентного розсіювання (ОКР) у плівках (Ti,Si)N істотно не відрізняється від ОКР в TiN. Висока нанотвердість отриманих покриттів (33…39 ГПа) обумовлена вкрай дефектною кристалічною решіткою та високим рівнем стискаючих залишкових напружень. Введення Si в TiN-покриття збільшує їх твердість.
Results of experiments on Ti-N and Ti-Si-N coatings deposition from the filtered vacuum-arc plasma with Ti and Ti-7 wt% Si cathodes at the nitrogen pressure range of 1·10⁻⁴ … 5·10⁻³ Torr and negative substrate potential of 3…150 V are presented. Si concentration in Ti-Si-N coatings is of 1…6 wt.% and is decreased when the value of the substrate potential increased. Structure, texture, sub-structure and stress level in the coatings were investigated by X-ray methods. TiN phase and (Ti,Si)N solid solution with the NaCl crystal structure were shown to be the main crystal phases in the coatings. At Si concentrations level achieved the value of the coherence area size in the (Ti,Si)N coatings is nearly of the same level as that in the TiN coatings. High nano-hardness of the coatings (33…39 GPa) is determined by the extremely defected crystal lattice and compressive stress of high level. Si introduction in the Ti-N coatings results in increasing in their hardness.
|
| issn |
1562-6016 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/111121 |
| citation_txt |
Структура и твердость Ti-N- и Ti-Si-N-покрытий, осажденных из фильтрованной вакуумно-дуговой плазмы / В.В. Васильев, А.А. Лучанинов, Е.Н. Решетняк, В.Е. Стрельницкий, Г.Н. Толмачева, М.В. Решетняк // Вопросы атомной науки и техники. — 2009. — № 2. — С. 173-180. — Бібліогр.: 20 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT vasilʹevvv strukturaitverdostʹtinitisinpokrytiiosaždennyhizfilʹtrovannoivakuumnodugovoiplazmy AT lučaninovaa strukturaitverdostʹtinitisinpokrytiiosaždennyhizfilʹtrovannoivakuumnodugovoiplazmy AT rešetnâken strukturaitverdostʹtinitisinpokrytiiosaždennyhizfilʹtrovannoivakuumnodugovoiplazmy AT strelʹnickiive strukturaitverdostʹtinitisinpokrytiiosaždennyhizfilʹtrovannoivakuumnodugovoiplazmy AT tolmačevagn strukturaitverdostʹtinitisinpokrytiiosaždennyhizfilʹtrovannoivakuumnodugovoiplazmy AT rešetnâkmv strukturaitverdostʹtinitisinpokrytiiosaždennyhizfilʹtrovannoivakuumnodugovoiplazmy AT vasilʹevvv strukturaítverdístʹtintatisinpokrittívosadženihzfílʹtrovanoívakuumnodugovoíplazmi AT lučaninovaa strukturaítverdístʹtintatisinpokrittívosadženihzfílʹtrovanoívakuumnodugovoíplazmi AT rešetnâken strukturaítverdístʹtintatisinpokrittívosadženihzfílʹtrovanoívakuumnodugovoíplazmi AT strelʹnickiive strukturaítverdístʹtintatisinpokrittívosadženihzfílʹtrovanoívakuumnodugovoíplazmi AT tolmačevagn strukturaítverdístʹtintatisinpokrittívosadženihzfílʹtrovanoívakuumnodugovoíplazmi AT rešetnâkmv strukturaítverdístʹtintatisinpokrittívosadženihzfílʹtrovanoívakuumnodugovoíplazmi AT vasilʹevvv structureandhardnessoftinandtisincoatingsdepositedfromthefilteredvacuumarcplasma AT lučaninovaa structureandhardnessoftinandtisincoatingsdepositedfromthefilteredvacuumarcplasma AT rešetnâken structureandhardnessoftinandtisincoatingsdepositedfromthefilteredvacuumarcplasma AT strelʹnickiive structureandhardnessoftinandtisincoatingsdepositedfromthefilteredvacuumarcplasma AT tolmačevagn structureandhardnessoftinandtisincoatingsdepositedfromthefilteredvacuumarcplasma AT rešetnâkmv structureandhardnessoftinandtisincoatingsdepositedfromthefilteredvacuumarcplasma |
| first_indexed |
2025-11-26T00:10:43Z |
| last_indexed |
2025-11-26T00:10:43Z |
| _version_ |
1850595374278901760 |
| fulltext |
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2009. №2.
Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (93), с. 173-180. 173
УДК 539.21:621.793
СТРУКТУРА И ТВЕРДОСТЬ Ti-N- И Ti-Si-N-ПОКРЫТИЙ,
ОСАЖДЕННЫХ ИЗ ФИЛЬТРОВАННОЙ
ВАКУУМНО-ДУГОВОЙ ПЛАЗМЫ
В.В. Васильев, А.А. Лучанинов, Е.Н. Решетняк, В.Е. Стрельницкий,
Г.Н. Толмачева, М.В. Решетняк*
Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт»,
Харьков, Украина, Е-mail: strelnitskij@kipt.kharkov.ua;
*Национальный технический университет
«Харьковский политехнический институт», Харьков, Украина
Представлены результаты экспериментов по осаждению Ti-N- и Ti-Si-N-покрытий из фильтрованной
плазмы вакуумно-дугового разряда с Ti- и Ti-7 вес.%Si-катодами при давлении азота 1·10-4 … 5·10-3 Торр и
потенциале подложки 3…150 В. Установлено, что содержание примеси Si в Ti для пленок системы Ti-Si-N
изменяется от 1 до 6 вес.% и сильно уменьшается при подаче отрицательного потенциала смещения на под-
ложку. Рентгенографически изучены структура, текстура, субструктура и напряженное состояние покрытий.
Основными кристаллическими фазами в покрытиях являются TiN и твердый раствор (Ti,Si)N со структурой
типа NaCl. В исследованном диапазоне концентраций кремния размер областей когерентного рассеяния
(ОКР) в пленках (Ti,Si)N существенно не отличается от ОКР в TiN. Высокая нанотвердость полученных по-
крытий (33…39 ГПа) обусловлена крайне дефектной кристаллической решеткой и высоким уровнем сжи-
мающих остаточных напряжений. Введение Si в TiN-покрытия увеличивает их твердость.
ВВЕДЕНИЕ
В течение многих лет вакуумно-дуговые покры-
тия TiN широко используются в машиностроении в
качестве материала функциональных защитных из-
носостойких покрытий на деталях машин и режу-
щем инструменте [1-3]. Согласно [4] микротвер-
дость свеженапыленных покрытий может изменять-
ся в широких пределах от 20 до 50 ГПа в зависимо-
сти, главным образом, от давления азота в вакуум-
ной камере при осаждении. Однако, зачастую, по-
крытия с высокой твердостью деградируют с тече-
нием времени даже при комнатной температуре и
практически неработоспособны из-за высокой хруп-
кости, обусловленной их гетерофазностью и высо-
ким содержанием полидисперсной капельной фазы.
Наиболее устойчивы к различным типам износа мо-
нофазные покрытия TiN с твердостью около 25 ГПа
и низким содержанием капель, но диапазон рабочих
температур для таких покрытий ограничен 500 ºC
из-за окисления на воздухе и старения.
По этим причинам в настоящее время активно
исследуются многокомпонентные покрытия на базе
нитрида титана, легированного B, С, Al, Si или Cr,
которые обладают повышенной твердостью, позво-
ляют увеличить стойкость и улучшить эксплуатаци-
онные свойства изделий [4-10]. Полагают, что до-
бавка легирующего элемента приводит к уменьше-
нию размера зерен кристаллитов и возникновению
аморфных слоев [11].
Имеющиеся литературные сведения в большин-
стве случаев касаются покрытий, полученных из
потока нефильтрованной плазмы. Настоящая работа
посвящена изучению особенностей структуры и
свойств покрытий систем Ti-N и Ti-Si-N, осажден-
ных из фильтрованной плазмы вакуумно-дугового
разряда с Ti- и Ti-Si-катодами, в зависимости от
давления азота.
1. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Осаждение покрытий систем Ti-N и Ti-Si-N про-
водилось на вакуумно-дуговой установке «Булат-6»,
оснащенной прямолинейным фильтром макрочас-
тиц [12, 13]. Схема установки приведена на рис. 1. К
вакуумной камере пристыкован модернизированный
вакуумно-дуговой источник плазмы с инверторным
источником питания дуги 13. Улавливание макро-
частиц, содержащихся в генерируемом катодом 1
плазменном потоке, реализуется при помощи экрана
7 («пассивный остров») и диафрагм на аноде 2.
Транспортировка ионно-электронной компоненты
плазмы осуществляется вдоль силовых линий осе-
симметричного магнитного поля, пересекающих
активную поверхность катода и огибающих экран.
Внутри вакуумной камеры 9 размещен подложко-
держатель 10, на который подается напряжение
смещения от источника питания 14. Выходное от-
верстие фильтра закрывается подвижной заслонкой
11, что позволяет проводить очистку поверхности
катода перед напылением покрытия. С тыльной сто-
роны подложкодержателя имеется магнитная ка-
тушка 12, которая позволяет осуществить дополни-
тельную фокусировку плазменного потока непо-
средственно в вакуумной камере.
Для получения Ti-N- и Ti-Si-N-покрытий были
использованы катоды из ВТ1-0 и сплава
Ti+7 вес.%Si соответственно. Осаждение проводили
в различных режимах на полированных дисках
Ø19×3 мм из инструментальной стали. Давление
азота задавали в диапазоне 1·10-4…5·10-3 Торр.
Варьировали величину отрицательного потенциала
подложки: 150, 75 В и “плавающего” потенциала
(устанавливавшегося самосогласованно и состав-
лявшего минус (3…15) В). При этом для обеспече-
ния стабильной работы источника плазмы в вакуум-
ную камеру напускали также аргон до парциального
174
давления 1,5·10-4 Торр. Ток дуги составлял 50 А.
Время осаждения выбирали таким образом, чтобы
толщина покрытий составляла 1…1,5 мкм. В про-
цессе осаждения покрытий температура подложки
не контролировалась.
Рис. 1. Схема установки с прямолинейным
фильтром макрочастиц:
1 – катод; 2 – основной анод с диафрагмами для
отражения макрочастиц; 3 – дополнительный
анод; 4 – узел поджига; 5 – стабилизирующая маг-
нитная катушка; 6 – фокусирующая магнитная
катушка; 7 – «пассивный остров»; 9 – вакуумная
камера; 10 – коллектор (подложкодержатель);
11 – заслонка; 12 – дополнительная магнитная
катушка; 13 – источник питания дуги; 14 – источ-
ник смещения на коллектор (подложку)
Состав покрытий определялся методом рентгено-
флуоресцентного анализа (РФА) на спектрометре
СПРУТ в излучении серебряного анода. Наличие
легких элементов (N, C, O) определялось качествен-
но. Установлено, что основными элементами в по-
крытиях являются Ti и N. Для покрытий, получен-
ных с использованием Ti-Si-катода, по интенсивно-
сти характеристических линий Ti-Кα и Si-Кα были
рассчитаны значения весовой концентрации приме-
си кремния в титане (без учета азота), которые по-
зволяют оценить степень воспроизводимости соста-
ва катода в покрытии.
Толщина покрытий контролировалась с помо-
щью интерференционного микроскопа (МИИ-4), а
также рентгеновским методом по интенсивности
характеристической линии Ti-Кα. Было получено
хорошее соответствие значений толщины, получен-
ных обоими методами. Исходя из толщины и време-
ни осаждения оценивалась скорость осаждения по-
крытий. Оказалось, что ее значения близки для обо-
их катодов, практически не зависят от потенциала
смещения, подаваемого на подложку, и уменьшают-
ся от 3 до 1,5 мкм/ч при увеличении давления N2 в
интервале от 1·10-4 до 5·10-3 Торр.
Нанотвердость покрытий (H) измеряли наноин-
дентором производства фирмы MTS при фиксиро-
ванной заданной глубине индентации равной
150 нм. Условия испытаний были следующие: рас-
стояние между точками индентации 50 мкм; коэф-
фициент Пуассона 0,22; скорость приближения к
поверхности 10 нм/с; чувствительность контакта с
поверхностью 25%. Анализ микроскопических изо-
бражений поверхности пленок при выборе участка
для индентирования свидетельствует, что большин-
ство пленок имеет достаточно однородную поверх-
ность. Наблюдаемые в некоторых случаях макроде-
фекты появляются в местах с дефектами исходной
поверхности подложки, возникшими на различных
стадиях ее механической обработки. На каждом об-
разце проводилось по 4 индентации, а результаты
усреднялись.
Рентгеноструктурные исследования проводились
на аппарате ДРОН-3 в фильтрованном излучении
Cu-Kα. Съемка дифрактограмм для фазового анализа
проводилась в схеме θ-2θ сканирования с фокуси-
ровкой по Брегу-Брентано в интервале углов от 15
до 100 град. Для расшифровки дифрактограмм ис-
пользовалась база данных Международного центра
дифракционных данных JCPDS. Обработка дифрак-
тограмм производилась при помощи компьютерной
программы New_Profile. По положению дифракци-
онных линий, идентифицированных как линии нит-
рида титана TiN с кубической решеткой типа NaCl,
а также твердого раствора на его основе, определял-
ся период кристаллической решетки этих фаз в на-
правлении нормали к поверхности пленки (a). Рас-
чет проводился с учетом всех имеющихся интен-
сивных отражений. По уширению линий (111) или
(200) из соотношения Селякова-Шеррера опреде-
лялся размер областей когерентного рассеяния в
этих фазах (L). Степень совершенства аксиальной
текстуры, которая формируется в пленках, оценива-
ли по ширине кривых качания текстурных макси-
мумов. Для изучения субструктуры и напряженного
состояния пленок съемка отражений TiN (111),
(200), (222), (400), (420), (422), (333) производилась
при поточечной регистрации интенсивности с ша-
гом сканирования Δ(2θ) 0,02…0,1 град и длительно-
стью накопления импульсов в каждой точке
10…20 с (в зависимости от ширины и интенсивно-
сти дифракционных максимумов). После первичной
обработки дифрактограмм и выделения дублета ап-
проксимация дифракционных линий производилась
функцией Коши. Для уточнения размеров ОКР с
учетом уровня микродеформаций в кристаллитах
нитрида был использован способ аппроксимации.
Определение остаточных макронапряжений в плен-
ках осуществлялось методом рентгеновской тензо-
метрии с использованием псевдо-sin2ψ-способа для
текстурованных пленок [14].
2. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
2.1. ПОКРЫТИЯ, ПОЛУЧЕННЫЕ С
ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ Ti-КАТОДА
Некоторые наиболее характерные дифракто-
граммы исследованных образцов приведены на
рис. 2. На всех дифрактограммах выявляются линии
нитрида титана TiN, который имеет кубическую
решетку типа NaCl (JCPDS 38-1420). При этом уста-
новлено, что количество выявляемых линий этой
фазы, их интенсивность, ширина и положение суще-
ственно определяются параметрами осаждения по-
крытия. К таким параметрам относятся потенциал
175
смещения на подложке и давление азота при осаж-
дении.
При “плавающем” потенциале смещения на под-
ложке в зависимости от давления азота в пленках
реализуются три основных структурных состояния.
Первый тип структуры - гетерофазная мелкокри-
сталлическая. Формируется в пленке, осажденной
при низком давлении азота (1…3)·10-4 Торр. Линии
кристаллических фаз на дифрактограммах пленок
очень слабые и широкие (см. рис.2, кривая 1). К со-
жалению, ввиду небольшой толщины пленок интен-
сивность линий недостаточна для высокой досто-
верности идентификации фаз в этих пленках. Одна-
ко анализ углового положения линий, в том числе и
самых слабых, позволил предположить, что наряду с
TiN, характеризующимся периодом решетки, близ-
ким к 0,426 нм, в пленках формируется фаза с
меньшим содержанием азота, часть линий которой
на малых углах накладывается на линии TiN (111) и
(200). На углах дифракции 2θ 62…64 град эта фаза
дает слабое отражение, которое сдвинуто относи-
тельно линии TiN (220) в сторону больших углов.
Наиболее вероятно, что это тетрагональный нитрид
Ti2N (JCPDS 23-1455). По мере увеличения давления
азота содержание этой фазы уменьшается. При этом
пленки изменяют свой цвет от серебристого до на-
сыщенного золотистого цвета, характерного для
нитрида титана, а их твердость увеличивается от 32
до 35 ГПа.
20 30 40 50 60 70 80
Ti
N
(3
11
)
Ti
N
(2
20
)
Ti
N
(2
22
)
Ti
N
(2
00
)
по
дл
ож
ка
Ti
N
(1
11
)
5
4
3
2
I,
от
н.
ед
.
2θ, град.
1
Рис. 2. Рентгеновские дифрактограммы вакуумно-
дуговых покрытий системы Ti-N, полученных при
разных параметрах осаждения (излучение Cu-Kα):
1 – Р=3·10-4 Торр, U = 3…15 В;
2 – Р=8·10-4 Торр, U = 3…15 В;
3 – Р=5·10-3 Торр, U = 3…15 В;
4 – Р=1·10-4 Торр, U=75 В;
5 – Р=1·10-4 Торр, U=150 В
Второй тип структуры, которая формируется в
пленках при “плавающем” потенциале смещения,
преобладает в пленках, полученных в интервале
давлений азота (5…15)·10-4 Торр. Дифрактограммы
пленок с этой структурой характеризуются более
интенсивными и узкими линиями TiN (см. рис.2,
кривая 2). Анализ соотношения интенсивностей ли-
ний этой фазы и кривых качания свидетельствует о
наличии текстуры аксиального типа с осью [100] в
направлении нормали к поверхности пленки, при
этом период решетки практически такой же, как у
фазы TiN в покрытиях со структурой первого типа.
Твердость таких пленок составляет 35…36 ГПа.
Дальнейшее повышение давления азота в вакуумной
камере до (30…50)·10-4 Торр приводит к формиро-
ванию гетерофазных покрытий третьего структур-
ного типа (см. рис.2, кривая 3). Линии TiN (111) и
(222) становятся крайне узкими, что свидетельству-
ет о существенном росте размеров ОКР. При этом
достаточно интенсивные, но более широкие, сильно
асимметричные и сдвинутые линии, которые можно
интерпретировать как линии фазы TiN (200) и (220),
по-видимому, представляют собой результат нало-
жения линий TiN и другой кристаллической фазы.
При этом период решетки фазы TiN в этих пленках
уменьшается до 0,423 нм. Такое изменение периода
может быть обусловлено отклонением содержания
азота в TiN от стехиометрического значения. Следу-
ет отметить, что эти пленки отличаются от других
темным красно-коричневым цветом и более низкой
твердостью 26…28 ГПа.
Похожие переходы от гетерофазной к преиму-
щественно однофазной структуре покрытий при
изменении давления азота наблюдались в пленках,
осажденных из нефильтрованной плазмы при по-
тенциале смещения ~200 В [4, 10]. Принципиаль-
ным отличием является более резкая зависимость
структуры от давления и смещение интервала, в ко-
тором формируется преимущественно однофазная
структура TiN, в сторону меньших давлений. Такие
отличия, по-видимому, обусловлены более низкой
скоростью осаждения из фильтрованного потока и
повышенной активацией азота в условиях замагни-
ченности электронной компоненты плазмы в фильт-
рующей системе.
В условиях, когда на подложку подается отрица-
тельный потенциал смещения (75 или 150 В), при
увеличении давления азота не наблюдается такого
резкого изменения цвета и структуры покрытий, как
при ”плавающем” потенциале. Пленки имеют золо-
тистый цвет, характерный для нитрида титана, близ-
кого к стехиометрическому составу. Подача отрица-
тельного потенциала смещения во всем диапазоне
давлений приводит к формированию четвертого
структурного состояния в исследованных покрыти-
ях – пленок TiN с аксиальной текстурой [111]. На
дифрактограммах таких пленок видны сильные от-
ражения (111) и (222), причем с увеличением потен-
циала смещения от 75 до 150 В интенсивность этих
линий возрастает (см. рис.2, кривые 4 и 5 соответст-
венно). Зачастую, остальные отражения TiN при θ-
2θ сканировании вообще не выявляются, однако они
появляются при наклоне образца на соответствую-
щий кристаллографический угол, что свидетельст-
вует о достаточно высокой степени совершенства
текстуры.
Установлено, что наиболее совершенная тексту-
ра, характеризующаяся углом качания 8…9 град,
формируется при потенциале смещения 150 В в
диапазоне давлений (10…30)·10-4 Торр. При умень-
176
шении или увеличении давления интенсивность тек-
стурных максимумов падает в 2-3 раза, а ширина
кривой качания возрастает до 15 град. В пленках,
осажденных при потенциале смещения 75 В, тек-
стура выражена слабее. Однако в диапазоне давле-
ний (1…16)·10-4 Торр она достаточно сильная и ха-
рактеризуется углом качания 15…16 град. Пленки,
полученные при подаче отрицательного потенциала
смещения во всем диапазоне давления азота, явля-
ются достаточно твердыми 33…38 ГПа.
Зависимости периода решетки в направлении
нормали к поверхности пленки и размера ОКР нит-
рида титана в пленках от параметров осаждения
приведены на рис. 3. Видно, что почти все приве-
денные значения периода превосходят величину
0,4243 нм, характерную для массивного TiN-
стехиометрического состава. Следует отметить, что
для фазы внедрения TiN характерна широкая об-
ласть гомогенности, однако при отклонении от сте-
хиометрического содержания азота как в меньшую,
так и в большую сторону наблюдается уменьшение
периода решетки [15]. В текстурированных пленках
четвертого типа, полученных при подаче потенциа-
ла смещения на подложку, значение периода кри-
сталлической решетки оказывается крайне высоким
и достигает 0,431 нм. Такое увеличение может быть
связано с рядом факторов, наиболее значимым из
которых является формирование высоких сжимаю-
щих напряжений, обусловленное интенсивной ион-
ной бомбардировкой поверхности роста. При этом в
отличие от пленок, полученных при “плавающем”
потенциале смещения, размер ОКР в этих покрыти-
ях при увеличении давления изменяется немонотон-
но и в более узком диапазоне.
0 10 20 30 40 50
4,24
4,26
4,28
4,30
4,32 150 В
75 В
(3-15) В
а,
1
0-1
нм
Р, 10-4 Торр
а
0 10 20 30 40 50
10
20
30
40
50
(3-15) В
75 В
150 В
Р, 10-4 Торр
L,
н
м
б
Рис. 3. Зависимости периода решетки в направлении нормали к поверхности пленки (а) и размера ОКР (б)
фазы TiN от давления азота в вакуумной камере и потенциала смещения на подложке для
покрытий, осажденных из фильтрованной вакуумно-дуговой плазмы Тi-катода
2.2. ПОКРЫТИЯ, ПОЛУЧЕННЫЕ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ Ti-Si-КАТОДА
Рентгенофлуоресцентный анализ состава покры-
тий нитридов, осажденных c использованием
Ti+7 вес.%Si-катода, показал, что содержание Si в
пленках меньше, чем в катоде, изменяется от 1 до
6 вес.% и сильно зависит от параметров осаждения.
На рис. 4 показаны зависимости весовой концентра-
ции кремния в Ti-Si-N-покрытии от давления азота в
вакуумной камере при различных потенциалах сме-
щения на подложке. Видно, что максимальное коли-
чество кремния содержится в пленках, полученных
при “плавающем” потенциале. С увеличением по-
тенциала смещения концентрация кремния в не-
сколько раз падает. По-видимому, это связано с
преимущественным распылением легких атомов
кремния с поверхности растущей пленки в результа-
те ионной бомбардировки. Чем выше потенциал
смещения и ниже давление газа в камере, тем силь-
нее этот эффект.
Установлено, что в полученном диапазоне кон-
центраций присутствие кремния в покрытиях суще-
ственно не меняет картину формирования структу-
ры. В пленках системы Ti-Si-N условно можно вы-
делить те же структурные группы, что и в покрыти-
ях системы Ti-N.
0 10 20 30 40 50
0
1
2
3
4
5
6
7
150 В
(3-15) В
Р, 10-4 Тоrr
75 В
С
Si
, в
ес
. %
Рис. 4. Зависимости весовой концентрации кремния
в Ti-Si-N-пленках от давления азота в вакуумной
камере при различных потенциалах смещения на
подложке
При “плавающем” потенциале смещения и низ-
ком давлении азота (1…3)·10-4 Торр в пленках фор-
мируется гетерофазная мелкокристаллическая
структура. Увеличение давления приводит к форми-
рованию преимущественно однофазных поликри-
сталлических пленок. Основная фаза в этих пленках
идентифицирована как твердый раствор Si в решет-
ке TiN с достаточно сильной текстурой [100]. При
увеличении давления азота до 3·10-3 Торр, подобно
Торр
3…15 В
3…15 В
3…15 В
3…15 В
177
покрытиям системы Ti-N, формируются гетерофаз-
ные покрытия с узкими линиями фазы (Ti,Si)N. Ход
зависимости твердости от давления азота для по-
крытий системы Ti-Si-N, полученных при “плаваю-
щем” потенциале, такой же, как для системы Ti-N с
максимумом в диапазоне давлений
(5…15)·10-4 Торр. При этом максимальное значение
твердости в покрытиях с кремнием несколько выше
и достигает 39 ГПа. Большая часть пленок, осаж-
денных при потенциале смещения 75 В, характери-
зуется сильной аксиальной текстурой [111] фазы
(Ti,Si)N. Угол рассеяния текстуры составляет
11…12 град. Твердость таких покрытий, получен-
ных в диапазоне давления N2 (5…50)·10-4 Торр,
практически не зависит от давления и составляет
36…38 ГПа.
На рис. 5 показаны зависимости периода решет-
ки в направлении нормали к поверхности пленки и
размера ОКР нитрида в пленках системы Ti-Si-N от
параметров осаждения. Общий вид кривых напоми-
нает кривые, приведенные для пленок системы Ti-N.
Главным отличием являются более низкие значения
периода решетки, причем различия тем больше, чем
выше концентрация Si в покрытии. Такое изменение
может быть связано с уменьшением периода кри-
сталлической решетки TiN при внедрении Si с обра-
зованием твердого раствора замещения. Об образо-
вании метастабильного твердого раствора (Ti,Si)N
при концентрации кремния до 14 ат.% в пленках,
осажденных из нефильтрованной вакуумно-дуговой
плазмы источника с TiSi-катодом, сообщалось в [6,
16, 17]. Также отмечена сильная зависимость кон-
центрации кремния в покрытии от потенциала под-
ложки и температуры в процессе осаждения.
0 10 20 30 40 50
4,22
4,24
4,26
4,28
4,30
4,32
(3-15) В
Р, 10-4 Торр
75 В
а,
1
0-1
нм
а
0 10 20 30 40 50
0
10
20
30
40
50
60 (3-15) В
Р, 10-4 Торр
75 В
L,
н
м
б
Рис. 5. Зависимости периода решетки в направлении нормали к поверхности пленки (а) и размера ОКР (б)
твердого раствора (Ti,Si)N от давления азота в вакуумной камере и потенциала смещения на подложке
для покрытий, осажденных из фильтрованной вакуумно-дуговой плазмы Ti-Si-катода
2.3. ОСОБЕННОСТИ СУБСТРУКТУРЫ И
НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПОКРЫТИЙ
Определение параметров субструктуры и напря-
женного состояния проводилось для партии образ-
цов TiN и (Ti,Si)N с хорошо сформированной кри-
сталлической структурой типа NaCl, полученных
при давлении азота в вакуумной камере 1·10-3 Торр и
разных потенциалах смещения на подложке. На ди-
фрактограммах этих пленок линии нитрида были
интенсивные, симметричные и отсутствовали следы
других фаз. Была осуществлена попытка раздельно-
го определения размеров областей когерентного
рассеяния и микродеформаций в кристаллитах нит-
рида по уширению дифракционных линий с крат-
ными индексами β(hkl) (с учетом инструментального
уширения прибора). Использовался способ аппрок-
симации, предусматривающий построение графиков
Холла. Текстура в пленках накладывала ограниче-
ния на выбор используемых отражений. В пленках с
текстурой [100], полученных при плавающем по-
тенциале смещения, это были отражения (200) и
(400). А в пленках, полученных при подаче потен-
циала смещения на подложку 75 и 150 В, с тексту-
рой [111] - отражения (111), (222) и (333). Графики
Холла для трех образцов TiN приведены на рис.6.
Видно, что использовать способ аппроксимации для
разделения размерного и деформационного вклада в
уширение для образцов, полученных при подаче
дополнительного потенциала смещения на подлож-
ку, не представляется возможным, поскольку не
выполняется условие: (111) (222) (222)
(222) (111) (111)
cos
cos
tg
tg
θ β θ
θ β θ
〈 〈
. Таким
образом, уширение линий обусловлено не только
дисперсностью областей когерентного рассеяния и
упругими микродеформациями в пленках. Такое
аномальное уширение свидетельствует о высокой
дефектности кристаллической решетки нитридов.
Согласно [18] такими дефектами помимо дислока-
ций могут быть межузельные атомы и дислокацион-
ные петли, образующиеся в результате ионной бом-
бардировки. Уровень искажений кристаллической
решетки, обусловленный дефектами, несколько вы-
ше в пленке, полученной при большем потенциале
(150 В), о чем свидетельствует более крутой наклон
прямой на графике.
График Холла, который построен для пленки,
осажденной при плавающем потенциале, в отличие
от других пересекает ось ординат выше нуля. Рас-
считанный по наклону графика уровень микроде-
формаций в кристаллитах TiN составляет 0,45 %,
что соответствует высокой плотности хаотично рас-
пределенных дислокаций 9·1011 см-2. Размер ОКР
3…15 В
3…15 В
178
равен 77 нм, что почти в четыре раза выше значе-
ний, рассчитанных по уширению линии (100). Та-
ким образом, даже при плавающем потенциале
смещения в пленках выявляется высокая концен-
трация дефектов кристаллического строения. По-
видимому, ввиду высокой дефектности пленок для
сопоставления размеров ОКР в разных образцах
более корректно использовать соотношение Селяко-
ва-Шеррера (см. рис. 3,б и 5,б), а также представля-
ется целесообразным параллельно использовать
данные электронной микроскопии. Следует отме-
тить, что вышеописанные особенности сохраняются
и у графиков Холла, построенных для образцов, со-
держащих кремний. Однако для пленки (Ti,Si)N,
осажденной при плавающем потенциале, при прак-
тически совпадающем значении размера ОКР уро-
вень микродеформаций несколько ниже, чем в
пленке TiN, и составляет 0,33 %.
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
-5
0
5
10
15
20
25
(4
00
)
(2
00
)
(3
33
)
(2
22
)
(3-15) B
75 B
150 B
βc
os
θ,
1
0-3
sinθ
(1
11
)
Рис.6. Графики Холла для образцов TiN, полученных
при различных потенциалах смещения на подложке
Для определения уровня остаточных напряже-
ний в пленках нитридов был использован метод
рентгеновской тензометрии. Исследование напря-
женного состояния объектов с достаточно совер-
шенной текстурой sin2ψ-способом зачастую стано-
вится невозможным ввиду того, что с изменением
угла наклона образца ψ наблюдается резкое умень-
шение интенсивности дифракционного максимума.
Один из путей решения проблемы – использование
методических приемов, применяемых для определе-
ния напряжений в монокристаллических объектах.
Измерение межплоскостных расстояний различных
плоскостей (hkl) производится при определенных,
кристаллографически заданных углах наклона ψ
образца, когда наблюдаются текстурные максиму-
мы. При съемке текстурированных образцов куби-
ческой сингонии задачу определения напряжений
можно решить псевдо-sin2ψ-способом путем по-
строения а-sin2ψ-графиков по различным (hkl). Как
правило, набор отражений в прецизионной области
невелик и определяется текстурой образца. В табл. 1
приведены использованные для построения а-sin2ψ-
графиков отражения, соответствующие углы накло-
на образца ψ и приблизительные углы дифракции 2θ
в медном излучении для разных типов аксиальной
текстуры в образцах со структурой TiN.
По результатам наклонных съемок TiN- и
(Ti,Si)N-образцов были построены а-sin2ψ-графики,
экспериментальные точки на которых хорошо опи-
сываются линейной зависимостью (рис. 7). Наклон
графиков свидетельствует о присутствии в пленках
высоких упругих макродеформаций сжатия. В плен-
ках, полученных при подаче потенциала смещения
на подложку, деформации аномально высокие, дос-
тигают 3…4 %, что существенно выше привычного
предела упругости крупнокристаллических мате-
риалов. Высокие значения упругих макродеформа-
ций часто регистрируются в тонких пленках, осаж-
денных ионно-плазменными методами. Однако по-
лученные нами значения в 2-3 раза превосходят ве-
личины, характерные для покрытий TiN, осажден-
ных из нефильтрованного потока [4, 18, 19]. При
этом рассчитанные по ним значения напряжений
близки к результатам, приведенным в работе [20],
где пленки осаждались с использованием криволи-
нейного сепаратора.
Таблица 1
Отражения TiN, использованные для рентгеновской
тензометрии образцов с различной текстурой
(излучение Cu-Kα)
ψ, град (hkl)
2θ,
град текстура [111] текстура [100]
(222) 78 0 -
(400) 94 - 0
(420) 109 39 27
(422) 127 19 35
(333) 143 0 55
Результаты расчета остаточных напряжений в
покрытиях σ приведены в табл. 2 (использовано до-
пущение о квазиизотропности материала пленки,
модуль Юнга E=429 ГПа, коэффициент Пуассона
ν=0,23). Также в таблице представлены значения
периодов кристаллической решетки, соответствую-
щие ненапряженному состоянию а0. Конечно, сле-
дует учитывать, что полученные значения напряже-
ний (как и макродеформации) могут быть несколько
завышены, что обусловлено рядом факторов. Про-
явление анизотропии упругих свойств или градиен-
та напряжений и состава покрытия по глубине, как
правило, приводят к искривлению а-sin2ψ-графиков,
поэтому в данном случае наиболее значимым фак-
тором, по-видимому, является существенный вклад
ориентированных микродеформаций кристалличе-
ской решетки в общий уровень упругой деформа-
ции, регистрируемый рентгеновским методом. В
результате ионной бомбардировки в процессе осаж-
дения в пленках TiN формируются радиационные
дефекты типа дислокационных петель внедрения
[18]. Дальнодействующие поля смещений вокруг
ориентированных относительно подложки петель,
расположенных в плотноупакованных плоскостях
(111), приводят к возникновению ориентированных
напряжений второго рода и вызывают дополнитель-
ное смещение дифракционных линий в текстуриро-
ванных пленках. Чем интенсивней ионная
179
бомбардировка и совершенней текстура, тем силь-
нее проявляется этот эффект.
Видно, что с ростом потенциала смещения на
подложке уровень остаточных напряжений и период
кристаллической решетки нитрида увеличиваются,
что является следствием усиления интенсивности
ионной бомбардировки при осаждении. Рост напря-
жений сопровождается ростом твердости, как это
неоднократно наблюдалось [11]. В пленках, содер-
жащих кремний, остаточные напряжения и твер-
дость выше, чем в соответствующих пленках TiN.
По-видимому, примесь кремния затрудняет разви-
тие процессов, которые могут обеспечить релакса-
цию напряжений в процессе осаждения покрытий, и
служит дополнительным стопором дислокационного
механизма деформации при наноиндентировании.
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
4,20
4,22
4,24
4,26
4,28
4,30
4,32
(3
33
)
(3
33
)
(4
22
)(4
20
)
(4
00
)
(4
20
)
(4
22
) 150 B
75 B
(3-15) B
a,
1
0-1
нм
sin2θ
(2
22
)
Рис.7. Графики а-sin2ψ для образцов TiN, получен-
ных при различных потенциалах смещения
на подложке
Таблица 2
Результаты рентгенотензометрических
измерений и твердость покрытий, осажденных при
давлении азота 1·10-3 Торр
Uсм, В Фаза СSi,
вес.%
Ось
текст.
σ,
ГПа а0, нм Н, ГПа
плав TiN - [100] 5 0,4246 26
-75 TiN - [111] 12 0,4247 33
-150 TiN - [111] 13 0,4254 36
плав (Ti,Si)N 4,8 [100] 7 0,4235 37
-75 (Ti,Si)N 1,1 [111] 13 0,4250 38
Значения твердости полученных (Ti,Si)N-пленок
согласуются с результатами других авторов, осаж-
давших пленки с низким содержанием Si ионно-
плазменными методами. Несмотря на то, что кон-
центрация кремния в полученных нами покрытиях
явно недостаточна для формирования сверхтвердого
нанокомпозита, описанного С. Вепреком [11], полу-
ченные пленки твердого раствора (Ti,Si)N с мелким
зерном и сильными искажениями кристаллической
решетки должны обладать повышенной термиче-
ской стабильностью [6].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе экспериментов по осаждению покрытий
систем Ti-Si и Ti-Si-N из потоков фильтрованной
вакуумно-дуговой плазмы получены следующие
результаты.
1. Методами рентгеноструктурного анализа ус-
тановлено, что в покрытиях, осажденных из ваку-
умно-дугового разряда с Ti-катодом при потенциале
смещения на подложке 75…150 В в широком диапа-
зоне давления азота (1·10-4 … 5·10-3) Торр формиру-
ется нитрид TiN с кубической решеткой типа NaCl.
При ”плавающем” потенциале смещения на под-
ложке 3…15 В преимущественно однофазная струк-
тура формируется в более узком диапазоне давления
азота (5…15)·10-4 Торр. При большем или меньшем
давлении структура становится гетерофазной.
2. Содержание кремния в покрытиях при работе
с TiSi-катодом зависит от давления азота и сильно
уменьшается при увеличении отрицательного по-
тенциала смещения на подложке от 3 до 150 В. Кон-
центрация примеси кремния в титане в покрытиях
системы Ti-Si-N, полученных с использованием ка-
тода состава Ti-7вес.%Si, находится в интервале
1…6 вес.%.
3. Структура покрытий системы Ti-Si-N при
концентрации Si 1…6 вес.% принципиально не от-
личается от структуры покрытий Ti-N. Основной
кристаллической фазой в вакуумно-дуговых нит-
ридных покрытиях, полученных с использованием
Ti-Si-катода, является твердый раствор (Ti,Si)N со
структурой типа NaCl. Введение примеси кремния
не вызывает существенного изменения размера ОКР
в пленках.
4. Подача отрицательного потенциала смещения
на подложку при осаждении (75…150 В) приводит к
формированию в пленках сильной аксиальной тек-
стуры с осью [111] в направлении нормали к по-
верхности, росту количества дефектов кристалличе-
ского строения и увеличению сжимающих остаточ-
ных напряжений.
5. Преимущественно монофазные покрытия TiN
и (Ti,Si)N имеют высокую нанотвердость
33…39 ГПа, которая существенно превосходит зна-
чения, характерные для монофазных покрытий TiN,
осажденных вакуумно-дуговым способом из не-
фильтрованного потока (25 ГПа). Высокая твердость
обусловлена крайне дефектной кристаллической
решеткой и высоким уровнем сжимающих остаточ-
ных напряжений, которые препятствуют движению
дислокаций и развитию пластической деформации.
Как правило, добавка кремния на 2…10 % увеличи-
вает твердость покрытий.
ЛИТЕРАТУРА
1. R.L. Boxman, P.J. Martin, D. Sanders. Handbook of
Vacuum Arc Science and Technology. New York,
Noyes, 1996.
2. P. Hedenqvist, M. Olsson, P. Wallén, et al. How TiN
coatings improve the performance of high speed
steel cutting tools // Surface and Coatings Tech-
nolog. 1990, v. 41, p. 243-256.
3. O.A. Johansen, J.H. Dontje, R.L.D. Zenner. Reactive
arc vapor ion deposition of TiN, ZrN and HfN //
Thin Solid Films. 1987, v. 153, p. 75-82.
4. А.А. Андреев, Л.П. Саблев, В.М. Шулаев,
С.Н. Григорьев. Вакуумно-дуговые устройства и
покрытия. Харьков: ННЦХФТИ, 2005, 236 с.
180
5. P.J. Martin, A. Bendavid, J.M. Cairney, M. Hoffman.
Nanocomposite Ti-Si-N, Zr-Si-N, Ti-Al-Si-N, Ti-
Al-V-Si-N thin film coatings deposited by vacuum
arc deposition // Surf. And Coat. Technol. 2005,
v. 200, p.2228-2235.
6. A. Flink, T. Larsson, J. Sjolen, et al. Influence of Si
on the microstructure of arc evaporated (Ti,Si)N thin
films; evidence for cubic solid solutions and their
thermal stability // Surf. And Coat. Technol. 2005,
v. 200, p.1535-1542.
7. A. Horling, L. Hultman, M. Oden, et al. Mechanical
properties and machining performance of Ti1-
xAlxN-coated cutting tools // Surf. And Coat. Tech-
nol. 2005, v. 191, p. 384– 392.
8. M. Jilek, T. Cselle, P. Holubar, et al. Development of
novel coating technology by vacuum arc with rotat-
ing cathodes for industrial production of
nc-(Al1-xTix)N/a-Si3N4 superhard nanocomposite cat-
ings for dry, hard machining // Plasma Chemistry
and Plasma Processing. 2004, v. 24, №4, p.493-510.
9. C.S. Jang, J.H. Jeon, P.K. Song, M.C. Kang, et al.
Synthesis and mechanical properties of TiAlCxN1-x
coatings deposited by arc ion plating // Surf. And
Coat. Technol. 2005, v. 200, p. 1501-1506.
10. В.В. Кунченко, Ю.В. Кунченко, Г.Н. Картмазов,
И.М. Неклюдов и др. Наноструктурные сверх-
твердые nc-TiN/a-Si3N4-покрытия, полученные
методом вакуумно-дугового осаждения // ВАНТ.
Серия «Физика радиационных повреждений и
радиационное материаловедение». 2006, №4,
c.185-190.
11. S. Veprek, M. Veprek-Heijman, P. Karvankova,
J. Prochazka. Different approaches to superhard
coatings and nanocomposites // Thin Solid Films.
2005, v. 476, p.1-29.
12. I.I. Aksenov, V.A. Belous, V.V. Vasil’ev,
Yu.Ya. Volkov, V.E. Strel’nitskij. A rectilinear
plasma filtering system for vacuum-arc deposition of
diamond-like carbon coatings // Diamond and Re-
lated Materials. 1999, v. 8, p.468-471.
13. I.I. Aksenov, D.Yu. Zaleskij, V.E. Strelnitskij. On
the efficiency of systems for filtered cathodic arc
deposition // 1st Int. Congress on radiation physics,
high current electronics and modification of materi-
als, Tomsk, Russia, 24-29 September 2000, Pro-
ceedings, v.3, p. 133-138.
14. Л.И. Гладких, С.В. Малыхин, А.Т. Пугачев. Ди-
фракционные методы анализа внутренних на-
пряжений. Теория и эксперимент. Харьков:
НТУ”ХПИ”, 2006, 304 с.
15. Л.И. Миркин. Рентгеноструктурный контроль
машиностроительных материалов: Справочник.
М.: “Mашиностроение”, 1979, 863c.
16. E.V. Shalaeva, S.V. Borisov, O.F. Denisov,
M.V. Kuznetsov. Metastable phase diagram of Ti-
Si-N(O) films (CSi < 30 at.%) // Thin Solid Films.
1999, v. 339, p. 129-136.
17. M.V. Kuznetsov, E.V. Shalaeva, S.V. Borisov,
B.V. Mitrofanov, A.L. Ivanovsky. Metastable Ti-
SixNyOz films of B1-type structure prepared by the
arc process// Thin Solid Films. 1996, v. 279, p. 75-
81.
18. Л.И. Гладких, С.В. Малыхин, А.Т. Пугачев,
Е.Н. Решетняк и др. Остаточные напряжения и
структура покрытий нитридов титана и хрома,
полученных методом ионно-плазменного напы-
ления // Металлофизика и новейшие технологии.
2003, т. 25, №6, с. 763-776.
19. C. Mendibide, P. Steyer, C. Esnouf, P. Goudeau, et
al. X-ray diffraction analysis of residual stress state
in PVD TiN/CrN multilayer coatings deposited on
tool steel // Surf. And Coat. Technol. 2005, v. 200,
p. 165-169.
20. S.H.N. Lim, D.G. McCulloch, M.M.M. Bilek,
D.R. McKenzie. Minimization of intrinsic stress in
titanium nitride using a cathodic arc with plasma
immersion ion implantation // Surf. And Coat. Tech-
nol. 2003, v. 174-175, p. 76-80.
Статья поступила в редакцию 25.12.2008 г.
СТРУКТУРА І ТВЕРДІСТЬ Ti-N- ТА Ti-Si-N-ПОКРИТТІВ, ОСАДЖЕНИХ З ФІЛЬТРОВАНОЇ
ВАКУУМНО-ДУГОВОЇ ПЛАЗМИ
В.В. Васильєв, О.А. Лучанінов, О.М. Решетняк, В.Є. Стрельницький, Г.М. Толмачова, М.В. Решетняк
Наведено результати експериментів по осадженню Ti-N- та Ti-Si-N-покриттів з фільтрованої плазми вакуумно-
дугового розряду з Ti- й Ti-7 ваг.%Si-катодів при тиску N2 1·10-4…5·10-3 Торр и потенціалі підкладки 3…150 В. Встанов-
лено, що вміст домішки Si в Ti для плівок системи Ti-Si-N змінюється від 1 до 6 ваг.% і сильно зменшується при подачі
потенціалу зміщення на підкладку. Рентгенографічно вивчено структура, текстура, субструктура та напружений стан
покриттів. Основними кристалічними фазами в покриттях є TiN і твердий розчин (Ti,Si)N зі структурою типу NaCl. У
дослідженому діапазоні концентрацій кремнію розмір областей когерентного розсіювання (ОКР) у плівках (Ti,Si)N істо-
тно не відрізняється від ОКР в TiN. Висока нанотвердість отриманих покриттів (33…39 ГПа) обумовлена вкрай дефект-
ною кристалічною решіткою та високим рівнем стискаючих залишкових напружень. Введення Si в TiN-покриття збіль-
шує їх твердість.
STRUCTURE AND HARDNESS OF Ti-N AND Ti-Si-N COATINGS DEPOSITED FROM THE FILTERED VACUUM-
ARC PLASMA
V.V. Vasil’ev, A.A. Luchaninov, E.N. Reshetnyak, V.E. Strel’nitskij, G.N. Tolmatcheva, M.V. Reshetnyak
Results of experiments on Ti-N and Ti-Si-N coatings deposition from the filtered vacuum-arc plasma with Ti and Ti-7 wt%
Si cathodes at the nitrogen pressure range of 1·10-4…5·10-3 Torr and negative substrate potential of 3…150 V are presented. Si
concentration in Ti-Si-N coatings is of 1…6 wt.% and is decreased when the value of the substrate potential increased. Structure,
texture, sub-structure and stress level in the coatings were investigated by X-ray methods. TiN phase and (Ti,Si)N solid solution
with the NaCl crystal structure were shown to be the main crystal phases in the coatings. At Si concentrations level achieved the
value of the coherence area size in the (Ti,Si)N coatings is nearly of the same level as that in the TiN coatings. High nano-
hardness of the coatings (33…39 GPa) is determined by the extremely defected crystal lattice and compressive stress of high
level. Si introduction in the Ti-N coatings results in increasing in their hardness.
|