Нанокомпозитные покрытия на основе нитридов переходных металлов

Представлен краткий обзор основных наиболее перспективных и широко применяемых в различных отраслях науки и техники нанокомпозитных покрытий, полученных на основе нитридов переходных металлов. Проведен сравнительный анализ их физико-механических свойств в зависимости от соотношений компонентов покры...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Date:	2008
Main Authors:	Дробышевская, А.А., Сердюк, Г.А., Фурсова, Е.В., Береснев, В.М.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України 2008
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/7870
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:	Нанокомпозитные покрытия на основе нитридов переходных металлов / А.А. Дробышевская, Г.А. Сердюк, Е.В. Фурсова, В.М. Береснев // Физическая инженерия поверхности. — 2008. — Т. 6, № 1-2. — С. 81-88. — Бібліогр.: 21 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1860168217308168192
author	Дробышевская, А.А. Сердюк, Г.А. Фурсова, Е.В. Береснев, В.М.
author_facet	Дробышевская, А.А. Сердюк, Г.А. Фурсова, Е.В. Береснев, В.М.
citation_txt	Нанокомпозитные покрытия на основе нитридов переходных металлов / А.А. Дробышевская, Г.А. Сердюк, Е.В. Фурсова, В.М. Береснев // Физическая инженерия поверхности. — 2008. — Т. 6, № 1-2. — С. 81-88. — Бібліогр.: 21 назв. — рос.
collection	DSpace DC
description	Представлен краткий обзор основных наиболее перспективных и широко применяемых в различных отраслях науки и техники нанокомпозитных покрытий, полученных на основе нитридов переходных металлов. Проведен сравнительный анализ их физико-механических свойств в зависимости от соотношений компонентов покрытий, условий и методов нанесения. Представлено короткий огляд основних найбільш перспективних нанокомпозитних покриттів, отриманих на основі нітридів перехідних металів, що широко застосовуються в різних галузях науки і техніки. Проведено порівняльний аналіз їх фізико-механічних властивостей в залежності від співвідношень компонентів покриттів, умов і методів нанесення. The review of the most perspective nanocomposite coatings obtained on the basis of transition metals nitrides which widely applicable in different branches of science and engineering is presented. The comparative analysis of their physical and mechanical properties depending on components of coatings ratio, conditions and methods of deposition is carried out.
first_indexed	2025-12-07T17:57:20Z
format	Article
fulltext	ФІП ФИП PSE, 2008, т. 6, № 1-2, vol. 6, No. 1-2 81 ВВЕДЕНИЕ Несмотря на то, что в последние несколько десятилетий тонкие пленки на основе туго- плавких нитридов переходных металлов до- статочно хорошо изучены и широко при- меняются в качестве различного рода покры- тий во многих областях человеческой дея- тельности, научно-практический интерес к ним не угасает, поскольку эти соединения, благодаря своим специфическим физико-ме- ханическим свойствам (большая твердость, абразивная способность, тугоплавкость, пла- стичность при высоких температурах и др.), являются особо привлекательными для соз- дания нанокомпозитных материалов на их основе. На данный момент существует множество опубликованных работ о тугоплавких соеди- нениях, в том числе и о нитридах, например [1 – 2]. Эти соединения характеризуются мно- гообразием различных типов химических связей, чем и объясняется варьирование в ши- роком диапазоне их химических и физико- механических свойств. Например, нитриды неметаллов представляют собой ковалентные соединения класса диэлектриков, а нитриды переходных металлов с дефицитом азота в большинстве случаев обладают полупровод- никовыми свойствами и представляют собой соединения со смешанным ионно-ковалент- но-металлическим типом связи. Нитриды пе- реходных металлов с избытком азота в боль- шинстве случаев обладают металлическими свойствами [3]. Общим свойством для всех нитридов пере- ходных металлов является образование фаз внедрения. При этом фазы внедрения стехио- метрического состава имеют относительно простые кристаллические решетки на базе типичных металлических упаковок, в меж- атомных промежутках которых расположены атомы внедрения [4]. Характерной чертой тугоплавких соединений, построенных по типу фаз внедрения, является способность образовывать дефектные структуры с недо- статком атомов неметалла в решетке, что в значительной степени влияет на их свойства. В настоящее время наиболее изученными среди нитридов металлов IV группы являют- ся нитриды титана и пленки TiN, получен- ные, как с помощью физических, так и с помощью химических методов осаждения. Свойства TiN сильно зависят от количества азота в нитриде и от скорости осаждения по- крытия. Так, при высокой скорости осаж- дения может быть получена очень мелкозер- нистая и, следовательно, очень искаженная структура, содержащая метастабильные фа- зы, в то время как при низких скоростях осаж- дения формируется чешуйчатая структура. Микротвердость пленок TiN в зависимости от содержания азота и структурных особен- ностей варьируется в пределах 20 – 40 ГПа. Большая твердость конденсированного TiN является следствием высокого уровня вну- тренних напряжений, которые составляют 109 – 1010 Па для покрытий, полученных физи- ческими методами. Наличие таких напряже- ний подтверждается увеличением параметра решетки, который составляет 0,425 нм для cтехиометрических пленок. При этом вели- чина параметра решетки прямо пропорцио- нальна содержанию азота и обратно пропор- циональна толщине пленки. Одним из недостатков, ограничивающих перспективу использования таких покрытий УДК 621.793 НАНОКОМПОЗИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ НИТРИДОВ ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ А.А. Дробышевская, Г.А. Сердюк, Е.В. Фурсова, В.М. Береснев Научный физико-технологический центр МОН и НАН Украины (Харьков) Украина Поступила в редакцию 14.06.2008 Представлен краткий обзор основных наиболее перспективных и широко применяемых в раз- личных отраслях науки и техники нанокомпозитных покрытий, полученных на основе нитридов переходных металлов. Проведен сравнительный анализ их физико-механических свойств в зависимости от соотношений компонентов покрытий, условий и методов нанесения. ФІП ФИП PSE, 2008, т. 6, № 1-2, vol. 6, No. 1-282 в промышленности, является их низкая оки- слительная стойкость. При нагреве выше 550 °С на поверхности покрытия TiN начи- нает расти хрупкий с низкой адгезией слой оксида титана в фазе рутила, который быстро разрушает защитную стойкость покрытия [5]. В покрытиях из пленок нитрида циркония, получаемых, как с помощью дугового испаре- ния, так и путем реактивного распыления, и, используемых в основном для упрочнения ре- жущего инструмента и для формирования диффузионных барьеров в интегральных схе- мах, значение микротвердости конденсатов ZrN превышает микротвердость массивного ZrN стехиометрического состава, которые составляют 26 ГПа и 15 ГПа соответственно. Таким образом, износостойкость, термо- стабильность и устойчивость к окислению рассматриваемых покрытий не высоки и су- щественно зависят от способа получения по- крытия и концентрации реагентов в нем. Причем, при переходе нитридов металлов IV группы (TiN, ZrN, HfN) к нитридам метал- лов V (VN, NbN, TaN) и особенно VI группы (CrN, MoN, WN) сопротивляемость к высоко- температурному окислению снижается [6]. Нитриды металлов V группы (TaN и NbN) изучались достаточно подробно [7], но для целей повышения износостойкости практически не применялись. Среди нитридов металлов VI группы наиболее исследованным с точки зрения износостойкости является CrN. По сравнению с металлами IV и V групп металлы VI группы имеют меньшее химичес- кое сродство к азоту, что затрудняет рост мо- нонитридных пленок. Данные покрытия име- ют твердость порядка 25 ГПа и характеризу- ются высокой износостойкостью. Результаты современных исследований, приведенные в научно-технических публика- циях разных авторов, свидетельствуют о том, что дальнейшее повышение эффективности защитно-упрочняющих, износостойких по- крытий на основе твердых соединений пере- ходных металлов, в частности нитридов, возможно путем создания нанокристалличес- ких и нанокомпозитных материалов [8 – 10]. Вследствие значительного увеличения объемной доли границ раздела такие покры- тия проявляют в ряде случаев уникальное сочетание свойств: высокую твердость, изно- состойкость, окислительную стойкость и, од- новременно, высокий коэффициент упругого восстановления, и низкий коэффициент тре- ния. В большинстве случаев наноструктурные покрытия формируются путем химического или физического осаждения газометалличес- ких плазменных потоков при оптимально по- добранных условиях и определенных кон- центрациях реагентов. Механизм образова- ния нанокомпозитных структур связывают с сегрегацией одной фазы по границам зерен другой фазы, в результате которой прекраща- ется рост кристаллитов. Этот процесс реали- зуется путем введения в состав растущего конденсата легирующих элементов или с помощью бомбардировки растущего конден- сата потоком ионов, а также различными ком- бинациями этих методов. Управление струк- турой и фазовым составом покрытия осу- ществляется обычно подбором режимов осаждения, изменением концентрации леги- рующих элементов, парциальных давлений рабочей газовой смеси и температуры под- ложки, приложением к подложке отрицатель- ного напряжения смещения или бомбарди- ровкой ее пучками газовых ионов с высокой энергией. Кроме этого, исследования показали, что в нанокристаллических материалах процессы разрушения осуществляются путем разрыва межатомных связей с высокими энергетичес- кими барьерами, которые характерны для ту- гоплавких соединений типа нитридов. Поэ- тому, нанокристаллические и нанокомпозит- ные материалы в большинстве случаев харак- теризуются повышенной твердостью и до- статочно высокой термоустойчивостью к оки- слению, что делает их особо привлекательны- ми для использования в качестве износостой- ких, упрочняющих и термостойких покрытий при температурах не превышающих 1300 °С. В данной работе проведен краткий обзор свойств наиболее перспективных, на наш взгляд, нанокомпозитных покрытий, сформи- рованных различными методами осаждения на основе тугоплавких нитридов переходных металлов. Указаны факторы, влияющие на синтез рассматриваемых покрытий. НАНОКОМПОЗИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ НИТРИДОВ ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ ФІП ФИП PSE, 2008, т. 6, № 1-2, vol. 6, No. 1-2 83 НАНОКОМПОЗИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ НИТРИДОВ ТИТАНА (TIN) Основное внимание в данной работе уделяет- ся покрытиям на основе нитрида титана TiN, которые обладают высокими твердостью и модулем упругости, химической стабильнос- тью, низким коэффициентом трения, высоки- ми устойчивостью к окислению и износо- стойкостью. Функциональные свойства покрытий зави- сят от их реальной структуры (размера зерна, фазового состава, уровня внутренних напря- жений и т.д.), поэтому основное внимание исследователей направлено на выявление и исследование взаимосвязи структурно-фазо- вого состояния и эксплуатационных свойств покрытий в зависимости от методов и усло- вий их получения. Результаты исследований показали, что существенного изменения структуры и свойств рассматриваемых по- крытий можно достичь путем легирования Si, B, Al, Y, Ni и др. Высокая эффективность легирования этими элементами, обусловлена их нерастворимостью в равновесных услови- ях и термодинамически контролируемой се- грегацией по границам нанозерен TiN с фор- мированием зернограничной фазы, ограни- чивающей рост зерна на уровне d ≤ 10 ÷ 15 нм. Наиболее изученными на данный момент являются нанокомпозитные покрытия типа nc-TiN/α-Si3N4, состоящие из нанокристаллов нитрида титана с размерами порядка 5 нм, ко- торые окружены тонким слоем аморфной фазы толщиной порядка 2 нм, образованной соединениями Si3N4. Работа [11] посвящена изучению струк- туры перехода между нанокристаллической и аморфной составляющей нанокомпозитов рассматриваемого типа. Исследована зависи- мость глубины проникновения аморфной фа- зы в нанокристаллическую от процентного содержания в покрытии Si и возможных при- месей кислорода. Показано, что наилучшие физико-механические характеристики дан- ных покрытий достигаются при концентра- ции Si порядка 7 – 9 ат.%, при этом глубина проникновения аморфной фазы составляет 1 – 1,5 граничных монослоев. Авторы [12] на основе изучения свойств пластической деформации, дают теорети- ческое объяснение причине возникновения сверхтвердости (более 50 ГПа) и ульратвер- дости (более 105 ГПа) для квазибинарного nc-TiN/α-Si3N4 и квазитернарного nc-TiN/α- Si3N4/TiSi2 типов нанокомпозитных покры- тий соответственно. В работе [13] проведено исследование про- цессов, отвечающих за релаксацию нано- структуры и самоукрепление супертвердых квазибинарных нанокомпозитных покрытий типа nc-TiN/α-Si3N4. Показано, что рассмат- риваемые нанокомпозиты, осаждаемые в пла- зме тлеющего разряда при условии достаточ- но большого давления и температуры азота, имеют постоянное значение твердости (рав- ное значению, измеренному при комнатной температуре) при нагревании до 1100 °С и не имеют пика внутреннего трения, который от- мечался в неустойчивых покрытиях, форми- руемых при низкой температуре, малом давл- ении азота и слабой плотности плазмы. Этот пик обусловлен термически активированны- ми процессами в пределах границ зерна нано- структуры, формирование которой из-за фа- зовой сегрегации не было закончено во время осаждения. Отжиг в азоте при температуре порядка 750 °С завершает процесс сегрега- ции TiN и Si3N4 фаз и приводит к формиро- ванию устойчивой наноструктуры, при этом пик внутреннего трения исчезает (рис. 1). Потенциальным недостатком системы nc- MeN/α-Si3N4 (где Ме – металл переходной группы) является растворимость Si в некото- рых металлах, что значительно ограничивает Рис.1. Зависимость внутреннего трения от температу- ры отжига для покрытия типа nc-TiN/α-Si3N4, полу- ченного магнетронным распылением [13]. А.А. ДРОБЫШЕВСКАЯ, Г.А. СЕРДЮК, Е.В. ФУРСОВА, В.М. БЕРЕСНЕВ ФІП ФИП PSE, 2008, т. 6, № 1-2, vol. 6, No. 1-284 возможность получения нанокомпозитных покрытий данного типа. Альтернативным выбором аморфной фазы для комбинации с нанокристаллических ни- тридом переходных металлов в ряде случаев выступает нитрид бора, потому что у бора связь с азотом более сильная, чем у кремния. Исследования показали [14], что покрытия типа Ti-B-N совместимы с большинством тех- нических материалов, обладают достаточно высокой твердостью (40 – 50 ГПа), износо- стойкостью и термоустойчивостью. Однако при нагревании до температуры порядка 750 °С отмечалось начало быстрого окисле- ния с образованием оксида титана. Стойкость к окислению для покрытий данного типа мо- жет быть улучшена добавлением Al. Для сравнения нанокомпозиты типа nc-TiN/α-Si3N4 с низким (d ≤ 10 ат.%) содержа- нием Si показывают стойкость к окислению в воздухе до температуры превышающей 800 °С. Устойчивость к окислению квазитер- нарного покрытия типа nc-TiN/α-Si3N4/TiSi2 уменьшается с уменьшением количества аморфной фазы Si3N4 и увеличением нано- кристаллической фазы TiSi2. Исследованию и сравнительному анализу свойств нанокомпозитных покрытий на ос- нове TiN/Cu, Ti-Si-B-N посвящена работа [15]. Показано, что в этих покрытиях обнару- живается двухуровневая зеренная структура с фрагментацией зерен размером порядка 0,3 мкм на субзерна размером порядка 0,2 нм. В нанокомпозитных покрытиях TiN/Cu на- блюдается значительное снижение твердости от 40 ГПа до 22 ГПа при длительном нагреве до 300 К. В покрытиях Ti-Si-B-N с примесями кислорода и углерода микротвердость сос- тавляет порядка 50 ГПа в структурных сос- тояниях, отвечающих двухуровневой зерен- ной структуре с размерами зерен порядка 0,3 мкм легированного кремнием нитрида титана и аморфных зернограничных фаз. Нанокомпозиты рассматриваемых типов чаще получают путем химического (CVD), физического (PVD) и плазмохимического (PCVD) осаждения газометаллических плаз- менных потоков, реже вакуумно-дуговым ме- тодом. При этом наиболее распространенным ме- тодом получения покрытий является метод химического осаждения, который позволяет обеспечить большую точность концентрации компонентов покрытия, открывая возмож- ность к серийному получению покрытий, об- ладающих определенными свойствами. Од- нако этот метод не лишен недостатков. Наи- более негативным фактором, ограничиваю- щим применимость этого метода, является то, что в качестве реагентов используются ядови- тые газы, которые представляют собой эколо- гически опасные вещества, представляющие опасность для здоровья человека. Использование магнетронного распыле- ния для формирования данного типа покры- тий в большинстве случаев сопровождается рядом трудностей, обусловленных необходи- мостью создания оптимальных условий оса- ждения и обеспечения требуемого процент- ного соотношения составляющих формируе- мого покрытия. В работе [16] описана возможность полу- чения наноструктурных сверхтвердых (50 – 60 ГПа) покрытий рассматриваемого типа с 2 – 10 ат.% Si методом вакуумно-дугового осаждения. Результаты сравнения величин микротвер- дости от состава рассматриваемых покрытий и парциального давления азота приведены на рис. 2. Показано также, что в отличие от покры- тий, получаемых стандартными методами химического и физического осаждения, рас- сматриваемые покрытия, полученные ваку- умно-дуговым методом осаждения, обладают микро- и нанослойной структурой. Кроме этого износостойкость данных покрытий превышает износостойкость стандартных по- крытий на основе нитрида титана в 2 – 3 раза, что делает эти покрытия хорошей альтерна- тивой нанокомпозитных покрытий, получен- ных экологически небезопасными химичес- кими методами осаждения. В работе [17] сообщается о возможности формирования нанослойных покрытий типа T-Cr-N методом вакуумно-дугового осажде- ния. Изучены физико-механические свойства полученных покрытий. Показано, что микро- твердость этих покрытий варьируется в пре- делах 22 – 27 ГПа в зависимости от процент- ного содержания хрома и условий формиро- НАНОКОМПОЗИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ НИТРИДОВ ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ ФІП ФИП PSE, 2008, т. 6, № 1-2, vol. 6, No. 1-2 85 вания покрытия. Так, фазово-структурные изменения на стадии отжига при температуре 400 ÷ 500 °С приводят к повышению микро- твердости до 27 ГПа, что является следствием увеличения уровня микроискажений решеток фаз, составляющих покрытие. Отжиг при температуре 500 ÷ 600 °С приводит к сниже- нию микротвердости до 23 ГПа, которое остается на этом уровне и после отжига при 800 °С. Размер кристаллической решетки ко- леблется от 0,4236 нм до 0,4220 нм в зави- симости от концентрации хрома и давления азота. Исследование триботехнических и меха- нических свойств, структурных характерис- тик магнетронных нанокомпозитных покры- тий на основе нитридов титана и алюминия (Ti1–xAlxN), а также проведение их сравни- тельного анализа при осаждении в условиях ионной бомбардировки и без нее, проведено авторами [18]. Так, при осаждении данных покрытий без ионной бомбардировки, уро- вень внутренних упругих напряжений был ∼3,1 ГПа. Применение ионной бомбардиров- ки приводит к понижению величины в дан- ных покрытиях до ∼2,4 ГПа. В первом случае (без ионной бомбардировки) параметр решет- ки основной фазы (TiN) имеет величину 0,4195 нм, при ионной бомбардировке про- исходит увеличение этого параметра до 0,4214 нм. Полученные, с помощью атомного сило- вого микроскопа, изображения поверхности сформированных покрытий показали, что по- крытия, синтезированные без воздействия ионной бомбардировки, имеют столбчатую структуру, покрытия, полученные в условиях ионной бомбардировки – глобулярную. По- перечный размер столбцов в покрытиях пер- вого типа находится в пределах (100 ÷ 500 нм), высота вершин колеблется от 50 до 100 нм. Вершины имеют сглаженную куполо- образную форму. Для этих покрытий харак- терно расположение столбцов на подложке параллельными рядами шириной в один и длиной в несколько тысяч столбцов. Столбцы имеют близкие поперечные размеры, распо- лагаются плотно друг к другу, поры в них от- сутствуют. Применение ионной бомбардировки в про- цессе осаждения приводит к исчезновению рядности в морфологии покрытий и появле- нию остроконечных выступов на поверхнос- ти, разделяющихся на две характерные груп- пы. Первая, наиболее многочисленная, сос- тоит из выступов с примерно одинаковой вы- сотой, поперечным размером и расстоянием между ними 50 ÷ 200 нм. Вторая включает редко встречающиеся выступы с высотой и поперечным размером в 5 ÷ 10 раз больше, чем первых. Таким образом, покрытие, полу- ченное в условиях ионной бомбардировки, обладает более плотной структурой. В работе показано также, что бомбарди- ровка покрытий ионами в процессе роста приводит к уменьшению атомной концентра- ции алюминия, смене текстуры с (200) на (111) и уменьшению уровня внутренних уп- ругих напряжений. В результате твердость покрытий возрастает, износостойкость – по- нижается. Таким образом, приведенные данные го- ворят о том, что прочностные свойства нано- Рис. 2. Зависимости микротвердости покрытий на ос- нове сплавов нитрида титана с кремнием: А – 10 ат.%, кр. 1. – 6 ат.%, кр. 2 – 4 ат.% и сплава ВТ1-0, кр. 3 – исходное состояние, кр. 4 – после длительной выдерж- ки, кр. 5 и 6 – при относительном изменении содержа- ния кремния, в покрытиях на основе сплавов с 4 и 6 ат.% кремния [16]. А.А. ДРОБЫШЕВСКАЯ, Г.А. СЕРДЮК, Е.В. ФУРСОВА, В.М. БЕРЕСНЕВ ФІП ФИП PSE, 2008, т. 6, № 1-2, vol. 6, No. 1-286 кристаллических покрытий на основе нит- рида титана, легированного другими элемен- тами, при близких значениях размеров (d ≈ 25 нм) нанокристаллитов оказываются существенно различными. Однако все они характеризуются высокой твердостью и хоро- шей термоустойчивостью. НАНОКОМПОЗИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ НИТРИДОВ ЦИРКОНИЯ И МОЛИБДЕНА (ZRN, SI3N4 /MONX) Известно, что нанокомпозитные покрытия на основе нитридов других металлов переход- ной группы по своим физико-механическим показателям существенно уступают наноком- позитам, сформированным на основе нитри- дов титана. Однако, результаты исследования, приве- денные в работе [19] показывают, что нано- композиты на основе нитрида циркония, ле- гированного кремнием, обладают более высо- кой термоустойчивостью к окислению, чем нанокомпозиты на основе нитрида титана, хотя и уступают им по твердости. Авторы показали, что свойства покрытий типа Zr-Si-N с высоким (≥25 ат.%) содержа- нием кремния, нанесенные магнетронным распылением существенно зависят от парци- ального давления азота, которое варьирова- лось от 0 до 0,5 Па. Так, при далениях от 0 до 0,03 Па пленки Zr-Si-N имели кристалличес- кую структуру, были оптически непрозрачны- ми, обладали электрической проводимостью, и их микротвердость составляла порядка 20 ГПа. Пленки, полученные при давлении, превышающем 0,1 Па, были аморфными, оп- тически прозрачными, обладали электроизо- ляционными свойствами и имели высокую микротвердость (≈30 ГПа). На рис. 3 приведенная типовая зависи- мость микротвердости пленки Zr-Si-N тол- щиной 6,8 мкм от нагрузки алмазного интен- дера Викерса. Условия осаждения были сле- дующими: Id =1 A, Ua= –100 В, is = 0,5 мA/см2, Ts = 500 °C, ds-t = 50 мм, pN2 = 0,05 Па, рт = 0,7 Па. На этом рис. также приведено соотношение d/h = f(L). По мнению авторов исследования, одним из важных преимуществ рассматриваемых покрытий по отношению к покрытиям, сфор- мированным на основе нитрида титана, яв- ляется возможность напыления этих пленок в металлическом режиме распыления, т.е. мо- гут быть произведены в несколько раз быст- рее покрытий на основе титановых нитридов. Кроме этого, нанокомпозитные покрытия рассматриваемого типа с высоким (более 55 об.%) содержанием аморфной фазы Si3N4, образованные из смеси фаз α-Si3N4 и nc-ZrNx>1 показали высокую устойчивость к окислению в воздушном потоке при темпера- туре, превышающей 1300 °С. Известно, что многослойные тонкопле- ночные системы, формируемые путем конт- ролируемого чередующегося осаждения двух материалов, позволяют получать нанострук- турированные объекты, обладающие рядом важных свойств для их практического испо- льзования, которые зависят от состава и тол- щины этих слоев. Так, методом вакуумно-ду- гового осаждения на стальной подложке пу- тем попеременного напыления TiN и ZrN, были получены многослойные тонкопленоч- ные системы на основе TiN/ZrN (от 60 до 300 слоев) [20]. Авторы провели исследование влияния толщины одного слоя на структур- ные свойства данных многослойных покры- тий, изучили их физические и механические свойства. Было показано, что сформированные мно- гослойные покрытия представляют собой системы, состоящие из чередующихся слоев стехиометрических нитридов титана и цирко- ния с постоянной толщиной слоя от 10 до 50 нм с преимущественной ориентацией (111). Покрытия имеют столбчатый характер роста с поперечным размером ∼55 нм. Рис. 3. Зависимость микротвердости пленки Zr-Si-N от нагрузки алмазного интендера Викерса [19]. НАНОКОМПОЗИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ НИТРИДОВ ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ ФІП ФИП PSE, 2008, т. 6, № 1-2, vol. 6, No. 1-2 87 Так, с уменьшением толщины слоя проис- ходит дробление блоков мозаики (до 8 нм) и увеличение внутренних сжимающих напря- жений (до 15 ГПа). Кроме этого, эта система обладает повы- шенной твердостью (29 ГПа) и меньшим модулем упругости (291 ГПа) по сравнению с мононитридными покрытиями TiN (20 ГПа и 450 ГПа, соответственно). Нанокристаллические покрытия, получен- ные на основе нитрида молибдена легирован- ного кремнием магнетронным распылением [21], также обладают высокой микротвер- достью (рис. 4) и высокой термоустойчи- востьюк окислению в воздушном потоке до температуры 1500 °С. Систематическое исследование свойств нанокомпозитного покрытия типа Si3N4/ МoNx, проведенное в работе [21], показало, что пленки с большим (более 60%) объемным содержанием Si3N4 обладают высокой термо- устойчивостью к окислению при темпера- турах, существенно превышающих 1000 °С, достаточно большой микротвердостью (бо- лее 25 ГПа). Это делает их особо перспектив- ными для использования в качестве высоко- термоустойчивых барьерных покрытий. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Проведен краткий обзор основных физико- механических свойств кристаллических и на- нокомпозитных покрытий на основе туго- плавких нитридов переходных металлов. По- казано, что характеристики нанокомпозит- ных покрытий, состоящих из нескольких фаз, существенно отличаются от свойств кристал- лических покрытий. Наноструктурные плен- ки и покрытия обладают высокой твердос- тью, термоустойчивостью и стойкостью к окислению. Значения этих параметров зави- сят от процентного соотношения состава реагентов, выбора легирующего элемента и условий синтеза покрытия. Вопрос об опти- мальном выборе соотношения концентраций компонентов в покрытии и условий их фор- мирования остается открытым и обусловли- вает проведение дальнейших исследований, поскольку возрастает необходимость серий- ного воспроизведения нанокомпозитных покрытий с заданными свойствами. Таким образом, синтез нанокомпозитных пленок на основе соединений переходных ме- таллов, изучение закономерностей формиро- вания фазово-структурных состояний и объя- снение природы полученных физико-меха- нических характеристик, являются одними из наиболее важных и перспективных направле- ний развития нанотехнологии и получения новых материалов. ЛИТЕРАТУРА 1. Свойства, получение и применение туго- плавких соединений. Справочник/Под ред. Т.Я. Косолаповой. – М.: “Металлургия”, 1986. – 928 C. 2. Андриевский Р.А., Спивак И.И. Прочность тугоплавких соединений и материалов на их основе. Справочник. – Ч.: “Металлургия”, 1989. – 368 с. 3. Самсонов Г.В. Нитриды. – К.: “Наукова дум- ка”, 1969. – 380 с. 4. Андриевский Р.А., Уманский Я.С. Фазы внед- рения. – М.: “Наука”, 1977. – 239 с. 5. Wahlstrom U., Hultman L., Sundgren J.E., Adi- bi F., Petrov I., Green J.E. Temperature depen- dency of oxidation resistance of TiN coatings// Thin Solid Films. – 1993. – Vol. 235. – Р. 62-69. 6. Третьяков И.П., Верещака А.С. Режущие ин- струменты с износостойкими покрытиями. – М.: “Машиностроение”, 1986. 7. Sundgren J.-E., Hentzell T.G. A review of the present state of art in hard coatings growns from the vapor phase//J. Vac. Sci. and Technol A. – 1968. – Vol. 4, № 5. – P.2 259-2279. 8. Veprek S., Nesladek P., Niederhofer A., Mane- ling H., Silek M.. Superhard nfnocristalline com- posites: present status of the research and possi- ble industrial applications//Surface Engineering: Рис. 4. Зависимость микротвердости покрытия типа Mo-Si-N от парциального давления азота при различ- ных значениях параметров осаждения [21]. А.А. ДРОБЫШЕВСКАЯ, Г.А. СЕРДЮК, Е.В. ФУРСОВА, В.М. БЕРЕСНЕВ ФІП ФИП PSE, 2008, т. 6, № 1-2, vol. 6, No. 1-288 Science and Technology I: The Minerals, Met- als and Materials society. – 1999. – P. 219-231. 9. Veprek S. The search for novel, superhard mate- rials//J. Vac. Sci. Technol. A. – 1999. – Vol. 17, № 5. – P. 2401-2420. 10. Karimi A., Wang Y., Cselle T., Morstein M. Frac- ture mechanisms in nano scale layered hard thin films//Thin solid films.– 2002.– Vol. 420-421. – Р. 275-280. 11. Zhang R.F., Veprek S. Crystalline-to-amorphous transition in Ti1-xSixN solid solution and the sta- bility of fcc SiN studied by combined ab initio density functional theory and thermodynamic calculations// Physical review. – 2007. – Vol. 76. – P. 174105. 12. Veprek S, Argon A.S., Zhang R.F. Origin of the hardness enhancement in superhard nc-TiN/α- Si3N4 and ultrahard nc-TiN/α-Si3N4/TiSi2 nano- composites//Philosophical Magazine Letters. – 2007. – Vol. 87, № 12. – P. 955-966. 13. Li S.Z., Fang Q.F., Liu Q., Li Z.S.. Gao J., Nes- ladek P., Prochazka J., Veprek-Heijman M.G.J., Veprek S. Thermally activated relaxation proces- ses in superhard nc-TiN/α-Si3N4 and nc-(Ti1-x Alx) N/α-Si3N4 nanocomposites studied by means of internal friction measurements// Composites Science and Technology. – 2005. – Vol. 65. – P. 735-740. 14. Karvankova P., Veprek-Heijman M.G.J., Azino- vic D., Veprek S. Properties of superhard nc-TiN/ α-BN and nc-TiN/α-BN/α-TiB2 nanocomposite coatings prepared by plasma induced chemical vapor deposition//Surface and Coating Techno- lоgy. – 2005. – Vol. 200. – P. 2978-2989. 15. Коротаев А.Д., Мошков В.Ю., Овчинник- ов С.В., Пинжин Ю.П., Савостиков В.М., Тю- менцев А.Н.. Наноструктурные и нанокомпо- зитные сверхтвердые покрытия//Физическая мезомеханика.–2005.– Т. 8, № 5. – С. 103-116. 16. Кунченко В.В., Кунченко Ю.В., Картма- зов Г.Н., Неклюдов И.М., Мигаль А.А., Рома- нов А.А., Гладких Н.Т., Крышталь А.П., Ка- заринов Ю.Г. Наноструктурные сверхтвердые покрытия nc-TiN/α-Si3N4, полученные мето- дом вакуумно-дугового осаждения//Вопро- сы атомной науки и техники. – 2006, № 4. – С. 185-190. 17. Кунченко Ю.В., Кунченко В.В., Неклю- дов И.М., Картмазов Г.Н., Андреев А.А. Сло- истые Ti-Cr-N-покрытия, получаемые мето- дом вакуумно-дугового осаждения//Вопро- сы атомной науки и техники. – 2007, № 2. – С. 203-214. 18. Сергеев В.П., Федорищева М.В., Воро- нов А.В. и др. Трибомеханические свойства и структура нанокомпозитных покрытий Ti1-xAlxN//Известия Томского политехничес- кого университета. – 2006. – Т. 309, № 2. – С. 149-153. 19. Musil J., Daniel R., Zeman P., Takai O. Struc- ture and properties of magnetron sputtered Zr- Si-N films with a high (≥25 at.%) Si content// Thin Solid Films.–2005.– Vol. 478. – P. 238-247. 20. Анищик В.М., Углов В.В., Злоцкий С.В., Еме- льянов В.А., Пономарь В.Н., Ухов В.А. Мно- гослойные наноструктурированные покры- тия TiN/ZrN: структура и механические свой- ства//Перспективные материалы.–2003.– № 4. – С. 75-78. 21. Musil J., Dohnal P., Zeman P. Physical proper- ties and high-temperature oxidation resistance of sputtered Si3N4/MoNx nanocomposite coat- ings//J. Vac. Sci. Technology. – 2005. – Vol. 23, № 4. – P. 1568-1574. НАНОКОМПОЗИТНІ ПОКРИТТЯ НА ОСНОВІ НІТРИДІВ ПЕРЕХІДНИХ МЕТАЛІВ А.О. Дробишевська, Г.А. Сердюк, О.В. Фурсова, В.М. Береснєв Представлено короткий огляд основних найбільш перспективних нанокомпозитних покриттів, от- риманих на основі нітридів перехідних металів, що широко застосовуються в різних галузях нау- ки і техніки. Проведено порівняльний аналіз їх фізико-механічних властивостей в залежності від співвідношень компонентів покриттів, умов і методів нанесення. NANOCOMPOSITE COATINGS ON THE BASIS OF TRANSITION METAL NITRIDES А.А. Drobyshevskaya, G.A. Serdyuk, Е.V. Fursova, V.М. Beresnev The review of the most perspective nanocomposite coatings obtained on the basis of transition metals nitrides which widely applicable in different bran- ches of science and engineering is presented. The comparative analysis of their physical and mecha- nical properties depending on components of coa- tings ratio, conditions and methods of deposition is carried out. НАНОКОМПОЗИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ НИТРИДОВ ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-7870
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	1999-8074
language	Russian
last_indexed	2025-12-07T17:57:20Z
publishDate	2008
publisher	Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
record_format	dspace
spelling	Дробышевская, А.А. Сердюк, Г.А. Фурсова, Е.В. Береснев, В.М. 2010-04-19T14:50:55Z 2010-04-19T14:50:55Z 2008 Нанокомпозитные покрытия на основе нитридов переходных металлов / А.А. Дробышевская, Г.А. Сердюк, Е.В. Фурсова, В.М. Береснев // Физическая инженерия поверхности. — 2008. — Т. 6, № 1-2. — С. 81-88. — Бібліогр.: 21 назв. — рос. 1999-8074 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/7870 621.793 Представлен краткий обзор основных наиболее перспективных и широко применяемых в различных отраслях науки и техники нанокомпозитных покрытий, полученных на основе нитридов переходных металлов. Проведен сравнительный анализ их физико-механических свойств в зависимости от соотношений компонентов покрытий, условий и методов нанесения. Представлено короткий огляд основних найбільш перспективних нанокомпозитних покриттів, отриманих на основі нітридів перехідних металів, що широко застосовуються в різних галузях науки і техніки. Проведено порівняльний аналіз їх фізико-механічних властивостей в залежності від співвідношень компонентів покриттів, умов і методів нанесення. The review of the most perspective nanocomposite coatings obtained on the basis of transition metals nitrides which widely applicable in different branches of science and engineering is presented. The comparative analysis of their physical and mechanical properties depending on components of coatings ratio, conditions and methods of deposition is carried out. ru Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України Нанокомпозитные покрытия на основе нитридов переходных металлов Нанокомпозитні покриття на основі нітридів перехідних металів Nanocomposite coatings on the basis of transition metal nitrides Article published earlier
spellingShingle	Нанокомпозитные покрытия на основе нитридов переходных металлов Дробышевская, А.А. Сердюк, Г.А. Фурсова, Е.В. Береснев, В.М.
title	Нанокомпозитные покрытия на основе нитридов переходных металлов
title_alt	Нанокомпозитні покриття на основі нітридів перехідних металів Nanocomposite coatings on the basis of transition metal nitrides
title_full	Нанокомпозитные покрытия на основе нитридов переходных металлов
title_fullStr	Нанокомпозитные покрытия на основе нитридов переходных металлов
title_full_unstemmed	Нанокомпозитные покрытия на основе нитридов переходных металлов
title_short	Нанокомпозитные покрытия на основе нитридов переходных металлов
title_sort	нанокомпозитные покрытия на основе нитридов переходных металлов
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/7870
work_keys_str_mv	AT drobyševskaâaa nanokompozitnyepokrytiânaosnovenitridovperehodnyhmetallov AT serdûkga nanokompozitnyepokrytiânaosnovenitridovperehodnyhmetallov AT fursovaev nanokompozitnyepokrytiânaosnovenitridovperehodnyhmetallov AT beresnevvm nanokompozitnyepokrytiânaosnovenitridovperehodnyhmetallov AT drobyševskaâaa nanokompozitnípokrittânaosnovínítridívperehídnihmetalív AT serdûkga nanokompozitnípokrittânaosnovínítridívperehídnihmetalív AT fursovaev nanokompozitnípokrittânaosnovínítridívperehídnihmetalív AT beresnevvm nanokompozitnípokrittânaosnovínítridívperehídnihmetalív AT drobyševskaâaa nanocompositecoatingsonthebasisoftransitionmetalnitrides AT serdûkga nanocompositecoatingsonthebasisoftransitionmetalnitrides AT fursovaev nanocompositecoatingsonthebasisoftransitionmetalnitrides AT beresnevvm nanocompositecoatingsonthebasisoftransitionmetalnitrides

Нанокомпозитные покрытия на основе нитридов переходных металлов

Institution

Similar Items