Вплив тиску азоту на механічні властивості і термічну стабільність покриттів TiAlSiN, одержаних при вакуумно-дуговому осадженні
Вакуумно-дуговою методою в умовах фільтрації плазмового потоку осаджено покриття TiAlSiN з твердістю від 30 до 45 ГПa, залежно від тиску азоту. Досліджено елементний склад покриттів зі зміною параметрів процесу. Показано високу термостабільність одержаних конденсатів до 1000°С. Вакуумно-дуговым мето...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології |
|---|---|
| Дата: | 2012 |
| Автори: | , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
2012
|
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/75204 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Вплив тиску азоту на механічні властивості і термічну стабільність покриттів TiAlSiN, одержаних при вакуумно-дуговому осадженні / В.А. Білоус, О.С. Купрін, М.С. Ломіно, В.Д. Овчаренко, Г.М. Толмачова // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2012. — Т. 10, № 1. — С. 19-25. — Бібліогр.: 9 назв. — укр. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859588004411080704 |
|---|---|
| author | Білоус, В.А. Купрін, О.С. Ломіно, М.С. Овчаренко, В.Д. Толмачова, Г.М. |
| author_facet | Білоус, В.А. Купрін, О.С. Ломіно, М.С. Овчаренко, В.Д. Толмачова, Г.М. |
| citation_txt | Вплив тиску азоту на механічні властивості і термічну стабільність покриттів TiAlSiN, одержаних при вакуумно-дуговому осадженні / В.А. Білоус, О.С. Купрін, М.С. Ломіно, В.Д. Овчаренко, Г.М. Толмачова // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2012. — Т. 10, № 1. — С. 19-25. — Бібліогр.: 9 назв. — укр. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології |
| description | Вакуумно-дуговою методою в умовах фільтрації плазмового потоку осаджено покриття TiAlSiN з твердістю від 30 до 45 ГПa, залежно від тиску азоту. Досліджено елементний склад покриттів зі зміною параметрів процесу. Показано високу термостабільність одержаних конденсатів до 1000°С.
Вакуумно-дуговым методом в условиях фильтрации плазменного потока осаждены покрытия TiAlSiN с твёрдостью от 30 до 45 ГПа в зависимости от давления азота. Исследован элементный состав покрытий с изменением параметров процесса. Показана высокая термостабильность полученных конденсатов до 1000°С.
Coatings of TiAlSiN with hardness from 30 to 45 GPa are deposited by a vacuum-arc method under conditions of filtration of plasma flow at different pressures of nitrogen. Element composition of coatings is investigated depending on the change of process parameters. High thermal stability of fabricated condensates up to 1000°С is shown.
|
| first_indexed | 2025-11-27T12:32:04Z |
| format | Article |
| fulltext |
19
PACS numbers: 62.20.Qp, 62.23.St,68.60.Bs,68.60.Dv,81.15.Ef,81.15.Gh, 81.65.Lp
Вплив тиску азоту на механічні властивості
і термічну стабільність покриттів TiAlSiN,
одержаних при вакуумно-дуговому осадженні
В. А. Білоус, О. С. Купрін, М. С. Ломіно, В. Д. Овчаренко,
Г. М. Толмачова
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут»,
вул. Академічна, 1,
61108 Харків, Україна
Вакуумно-дуговою методою в умовах фільтрації плазмового потоку осадже-
но покриття TiAlSiN з твердістю від 30 до 45 ГПa, залежно від тиску азоту.
Досліджено елементний склад покриттів зі зміною параметрів процесу. По-
казано високу термостабільність одержаних конденсатів до 1000°С.
Вакуумно-дуговым методом в условиях фильтрации плазменного потока
осаждены покрытия TiAlSiN с твёрдостью от 30 до 45 ГПа в зависимости
от давления азота. Исследован элементный состав покрытий с изменени-
ем параметров процесса. Показана высокая термостабильность получен-
ных конденсатов до 1000°С.
Coatings of TiAlSiN with hardness from 30 to 45 GPa are deposited by a vac-
uum-arc method under conditions of filtration of plasma flow at different
pressures of nitrogen. Element composition of coatings is investigated de-
pending on the change of process parameters. High thermal stability of fabri-
cated condensates up to 1000°С is shown.
Ключові слова: магнетний фільтер, багатокомпонентні покриття, тиск
азоту, твердість, термостабільність.
(Отримано 2 грудня 2010 р.)
1. ВСТУП
В даний час підвищений інтерес виявляється до багатокомпонент-
них наноструктурних покриттів, які мають унікальні властивості.
Наприклад, покриття на основі TiAlN при певному співвідношенні
Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies
2012, т. 10, № 1, сс. 19—25
© 2012 ІМФ (Інститут металофізики
ім. Г. В. Курдюмова НАН України)
Надруковано в Україні.
Фотокопіювання дозволено
тільки відповідно до ліцензії
20 В. А. БІЛОУС, О. С. КУПРІН, М. С. ЛОМІНО и др.
титану та алюмінію мають високу твердість, зносостійкість, стій-
кість до окиснення, термостабільність та низький коефіцієнт тертя
[1]. Ще більш привабливими з точки зору надтвердих властивостей
та термостабільности виявляються конденсати на основі TiAlSiN
[2]. Одним зі способів одержання таких покриттів є вакуумно-
дугова метода, яка для формування якісних конденсатів вимагає
фільтрації плазмового потоку від крапель і макрочастинок.
2. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА УСТАВА
Метою даної роботи було дослідження впливу тиску азоту на синте-
зу та властивості покриттів TiAlSiN, одержаних вакуумно-дуговою
методою з використанням в якості фільтра системи формування ра-
діяльних потоків [3].
Експерименти з вакуумно-дугового осадження покриттів викона-
ні на уставі типу «Булат». За допомогою магнетних соленоїдів в
центральній частині вакуумної камери створювалася конфіґурація
магнетних силових ліній коркової або гострокутової геометрії [3].
Потік металевої плазми, утворений вакуумно-дуговим джерелом,
рухався в аксіяльному магнетному полі, і на виході з соленоїда заря-
джена компонента цього потоку, прямуючи вздовж магнетних сило-
вих ліній, потрапляла на зразки, закріплені на підложжяутримува-
чі. Підложжяутримувач мав довжину 240 мм і розташовувався
вздовж проміжку між соленоїдами на віддалі R = 175 мм від осі сис-
теми.
У якості матеріялу катоди використовувався стоп Ti78%—Al16%—
Si6%. Покриття осідали на платівки з неіржавійної криці розміром
20×10×1 мм. Початковий тиск у камері становив 5⋅10
−6
торр. При оде-
ржанні покриттів у робочу камеру напускали реактивний газ (азот),
тиск якого змінювався в межах P = 10
−5—10
−2
торр.
Струм дуги підтримувався на рівні 80 А, напруга зміщення на
підкладці змінювалась у межах 50—250 В. Елементний склад пок-
риттів досліджували за допомогою рентґенофлюоресцентної методи
на приладі «Спрут». Нанотвердість і Юнґів модуль вимірювали за
допомогою Nanoindenter G200 з Берковичевим діямантовим інден-
тором методою CSM.
3. РЕЗУЛЬТАТИ ЕКСПЕРИМЕНТІВ ТА ОБГОВОРЕННЯ
З ростом тиску газу, що напускається в камеру, швидкість оса-
дження v змінюється внаслідок розсіяння потоку металевої плазми
на газовій цілі, але в умовах цього експерименту така зміна не була
істотною. Насправді, як випливає з рис. 1, при збільшенні тиску
більше, ніж на три порядки за величиною, швидкість осадження
ВПЛИВ АЗОТУ НА ВЛАСТИВОСТІ І ТЕРМОСТАБІЛЬНІСТЬ ПОКРИТТІВ TiAlSiN 21
(при d = 80 мм) змінювалася менше, ніж в два рази.
У високому вакуумі (при P = 5⋅10
−6
торр, v = 1,5 мкм/год.) відхід
потоку зарядженої компоненти від первинного привісного напрямку
пов’язаний тільки з його рухом уздовж силових ліній магнетного по-
ля, що розходяться на виході з соленоїда. З ростом тиску газу розсі-
яння на газовій цілі також сприяє відхилу плазми в перпендикуляр-
ному напрямку по відношенню до початкового і швидкість осаджен-
ня на зразках, що знаходяться збоку від прямого потоку (на R = 175
мм), зростає до величини 2,8 мкм/год.
Подальше збільшення тиску призводить до розсіяння плазми на
ближчих віддалях від катоди, що призводить до зниження швидко-
сти осадження (при P = 8⋅10
−3
торр, v = 2 мкм/год.).
Товщина покриття залежить як від інтенсивности потоку мета-
левої плазми, так і від розпорошення одержуваного конденсату при
його бомбардуванні налітним потоком. Енергія частинок ε в цьому
потоці визначається умовою ε = ε + zeϕ, де ε – енергія в області їх
народження (тобто на поверхні катоди), ϕ – потенціял, що прикла-
дається до зразка, а z – середній заряд йона. Таким чином, енергія
частинок у налітному потоці може досягати сотень еВ, що досить,
щоб справити за наявности в конденсаті нестійких з’єднань поміт-
ний розпорошувальний ефект.
На рисунку 2 представлена залежність швидкости осадження
TiAlSiN покриття, одержаного при тиску азоту P = 3⋅10
−4
торр, від
потенціялу на підкладці. Видно, що в досить широких межах зміни
потенціалу, в межах похибки експерименту, швидкість осадження,
практично, залишається без змін, що свідчить про низьке розпоро-
шення конденсатів.
За допомогою рентґенофлюоресцентної методи виконано дослі-
дження елементного складу покриттів TiAlSiN у широкому діяпа-
Рис. 1. Швидкість осадження покриттів TiAlSiN від тиску азоту.
22 В. А. БІЛОУС, О. С. КУПРІН, М. С. ЛОМІНО и др.
зоні тиску азоту, що напускається в камеру, та потенціялу, що при-
кладається до зразка в процесі нанесення покриттів. Відповідні ре-
зультати наведені на рис. 3 і 4.
З рисунка 3 випливає, що при використанні катод багатокомпо-
нентного складу в застосованій системі фільтрації плазми вакуум-
но-дугового розряду в присутності азоту в якості реакційного газу
елементний склад одержуваних покриттів не є ідентичним матері-
ялу катоди і залежить від тиску газу. Так, в наших умовах, з вико-
ристанням катод складу Ti—78%Al—16%Si—6% одержували пок-
риття, в яких зазначені елементи змінювалися у наступних межах:
62—80% Ti, 16—35% Al, 0,3—6% Si.
Рис 2. Швидкість осадження покриттів TiAlSiN від потенціялу зміщен-
ня на підложжі (PN2 = 3⋅10
−4 Торр).
Рис. 3. Концентрація Ti, Al і Si в покриттях TiAlSiN від тиску азоту
(Uсм = −100 В).
ВПЛИВ АЗОТУ НА ВЛАСТИВОСТІ І ТЕРМОСТАБІЛЬНІСТЬ ПОКРИТТІВ TiAlSiN 23
Елементний склад покриттів практично не залежить від потенці-
ялу зміщення на підложжі (рис. 4), що також вказує на стійкість
одержаних конденсатів до процесу розпорошення.
З метою перевірки покриттів TiAlSiN, одержаних у широкому
діяпазоні тисків азоту, на термостабільність виконувався їх вакуу-
мний відпал при температурі 1000°С впродовж трьох годин. Меха-
нічні властивості покриттів досліджувались за допомогою наноін-
дентора. Результати з вимірів твердости і Юнґового модуля від тис-
ку азоту наведено на рис. 5.
З рисунка видно, що високу твердість > 40 ГПа мають покриття,
одержані в діяпазоні тисків від 7⋅10
−5
торр до 7⋅10
−4
торр, причому
Рис. 4. Концентрація Ti, Al і Si в покриттях TiAlSiN від потенціялу
зміщення на підложжі (PN2 = 3⋅10
−4 торр).
Рис. 5. Твердість (1, 2) і Юнґів модуль (3, 4) покриттів TiAlSiN від тис-
ку азоту: 1, 3 – після осадження; 2, 4 – після вакуумного відпалу.
24 В. А. БІЛОУС, О. С. КУПРІН, М. С. ЛОМІНО и др.
після вакуумного відпалу їх твердість змінюється не більше ніж на
10%. Така поведінка твердости свідчить, що вона зумовлена не сті-
льки стискальними внутрішніми напруженнями, які після відпалу
релаксують, а швидше пов’язана з утворенням сполук з розмірами
кристалітів нанорозмірного діяпазону [4].
У роботі [5] було запропоновано використовувати в якості кількі-
сної характеристики для оцінки опору пластичної деформації тон-
коплівкових покриттів і для передбачення їх зносостійкости вели-
чину, яка визначається як міцність: H
3/E2, де Н – твердість, а Е –
Юнґів модуль пружности. Згідно з цим параметром, високе значен-
ня H
3/E2
відповідає значному опору покриттів пластичній дефор-
мації і, ймовірно, високій зносостійкості та низькій крихкості [6,
7].
На рисунку 6 наведено залежність міцности покриттів TiAlSiN до і
після вакуумного відпалу від тиску азоту, при якому сформовані ці
покриття. Для покриттів, одержаних при тисках азоту Р = 7⋅10
−5
торр і Р = 2⋅10
−3
торр, спостерігається зниження відношення H
3/E2
до
0,2 і 0,16 відповідно, що є, напевно, наслідком збільшення їх крих-
кости.
Після відпалу міцність TiAlSiN у широкому діяпазоні викорис-
товуваних тисків азоту вища, ніж для покриттів інших складів, на-
приклад, для нітриду титану TiN цей параметер дорівнює 0,23, а
для багатошарового TiN/CrN H
3/E2 = 0,24 [8]. Відомо, що в багато-
компонентних системах з сильною термодинамічною сеґреґацією,
тобто з мінімальною розчинністю, можуть утворюватися наностру-
ктури з високими значеннями твердости, які характеризуються ви-
сокою термостабільністю до 1000°С [9]. Спонтанне формування та-
ких наноструктур викликається спинодальним розпадом, який від-
Рис. 6. Міцність (H
3/E2) покриттів TiAlSiN від тиску азоту: 1 – після оса-
дження; 2 – після вакуумного відпалу.
ВПЛИВ АЗОТУ НА ВЛАСТИВОСТІ І ТЕРМОСТАБІЛЬНІСТЬ ПОКРИТТІВ TiAlSiN 25
бувається в процесі осадження. Але при порівняно низьких темпе-
ратурах конденсації формування наноструктур може бути не заве-
ршено. Відпал, що виконується при більш високій температурі,
призводить до структурної релаксації цих наноструктур, що супро-
воджується збільшенням твердости, яка зберігається до темпера-
тур ≅ 1000°С.
4. ВИСНОВКИ
З використанням фільтрованої плазми синтезовано композитні
надтверді (понад 45 ГПа) покриття на основі сполучень TiAlSiN. У
цій системі, що фільтрує плазму від макрочастинок, знайдені умо-
ви створення таких покриттів та продемонстровано їх високу тер-
мостабільність при відпалі у вакуумі до 1000°С. Ці властивості кон-
денсатів напевно свідчать про нанорозмірну структуру покриттів.
ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА
1. S. PalDey and S. C. Deevi, Materials Science and Engineering A, 342: 58
(2003).
2. C. Fernandes, S. Carvalho, L. Rebouta, F. Vaz et al., Vacuum, 82: 1470 (2008).
3. I. I. Aksenov, V. M. Khoroshikh et al., IEEE Transactions on Plasma Science,
27, No. 4: 1026 (1999).
4. S. Veprek, G. Maritza et al., Thin Solid Films, 476, No. 1: 1 (2005).
5. T. Y. Tsui, G. M. Pharr, W. C. Oliver et al., Mater. Res. Soc. Symp. Proc., 383:
447 (1995).
6. J. Soldán and J. Musil, Vacuum, 81: 531 (2006).
7. S. Yang, Y. Chang, D. Lin, D. Wang, and W. Wu, Surf. Coat. Technol., 202:
2176 (2008).
8. Q. Yang and L. R. Zhao, Surf. Coat. Technol., 200: 1709 (2005).
9. H.-D. Mannling, D. S. Patil, K. Moto, M. Jilek, and S. Veprek, Surf. Coat.
Technol., 146—147: 263 (2001).
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-75204 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1816-5230 |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-11-27T12:32:04Z |
| publishDate | 2012 |
| publisher | Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Білоус, В.А. Купрін, О.С. Ломіно, М.С. Овчаренко, В.Д. Толмачова, Г.М. 2015-01-27T15:53:26Z 2015-01-27T15:53:26Z 2012 Вплив тиску азоту на механічні властивості і термічну стабільність покриттів TiAlSiN, одержаних при вакуумно-дуговому осадженні / В.А. Білоус, О.С. Купрін, М.С. Ломіно, В.Д. Овчаренко, Г.М. Толмачова // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2012. — Т. 10, № 1. — С. 19-25. — Бібліогр.: 9 назв. — укр. 1816-5230 PACS numbers: 62.20.Qp, 62.23.St, 68.60.Bs, 68.60.Dv, 81.15.Ef, 81.15.Gh, 81.65.Lp https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/75204 Вакуумно-дуговою методою в умовах фільтрації плазмового потоку осаджено покриття TiAlSiN з твердістю від 30 до 45 ГПa, залежно від тиску азоту. Досліджено елементний склад покриттів зі зміною параметрів процесу. Показано високу термостабільність одержаних конденсатів до 1000°С. Вакуумно-дуговым методом в условиях фильтрации плазменного потока осаждены покрытия TiAlSiN с твёрдостью от 30 до 45 ГПа в зависимости от давления азота. Исследован элементный состав покрытий с изменением параметров процесса. Показана высокая термостабильность полученных конденсатов до 1000°С. Coatings of TiAlSiN with hardness from 30 to 45 GPa are deposited by a vacuum-arc method under conditions of filtration of plasma flow at different pressures of nitrogen. Element composition of coatings is investigated depending on the change of process parameters. High thermal stability of fabricated condensates up to 1000°С is shown. uk Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Вплив тиску азоту на механічні властивості і термічну стабільність покриттів TiAlSiN, одержаних при вакуумно-дуговому осадженні Article published earlier |
| spellingShingle | Вплив тиску азоту на механічні властивості і термічну стабільність покриттів TiAlSiN, одержаних при вакуумно-дуговому осадженні Білоус, В.А. Купрін, О.С. Ломіно, М.С. Овчаренко, В.Д. Толмачова, Г.М. |
| title | Вплив тиску азоту на механічні властивості і термічну стабільність покриттів TiAlSiN, одержаних при вакуумно-дуговому осадженні |
| title_full | Вплив тиску азоту на механічні властивості і термічну стабільність покриттів TiAlSiN, одержаних при вакуумно-дуговому осадженні |
| title_fullStr | Вплив тиску азоту на механічні властивості і термічну стабільність покриттів TiAlSiN, одержаних при вакуумно-дуговому осадженні |
| title_full_unstemmed | Вплив тиску азоту на механічні властивості і термічну стабільність покриттів TiAlSiN, одержаних при вакуумно-дуговому осадженні |
| title_short | Вплив тиску азоту на механічні властивості і термічну стабільність покриттів TiAlSiN, одержаних при вакуумно-дуговому осадженні |
| title_sort | вплив тиску азоту на механічні властивості і термічну стабільність покриттів tialsin, одержаних при вакуумно-дуговому осадженні |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/75204 |
| work_keys_str_mv | AT bílousva vplivtiskuazotunamehaníčnívlastivostíítermíčnustabílʹnístʹpokrittívtialsinoderžanihprivakuumnodugovomuosadženní AT kuprínos vplivtiskuazotunamehaníčnívlastivostíítermíčnustabílʹnístʹpokrittívtialsinoderžanihprivakuumnodugovomuosadženní AT lomínoms vplivtiskuazotunamehaníčnívlastivostíítermíčnustabílʹnístʹpokrittívtialsinoderžanihprivakuumnodugovomuosadženní AT ovčarenkovd vplivtiskuazotunamehaníčnívlastivostíítermíčnustabílʹnístʹpokrittívtialsinoderžanihprivakuumnodugovomuosadženní AT tolmačovagm vplivtiskuazotunamehaníčnívlastivostíítermíčnustabílʹnístʹpokrittívtialsinoderžanihprivakuumnodugovomuosadženní |