Влияние потенциала смещения и давления азота на структурно-напряженное состояние и свойства нитридных покрытий, полученных испарением высокоэнтропийных сплавов вакуумно-дуговым методом
Проведено дослідження впливу негативного потенціалу зсуву і тиску азоту на структурно-напружений
 стан і властивості вакуумно-дугових нітридних покриттів. Проведено порівняння даних за трьома групами
 покриттів: 1 – (Ti ,V, Zr, Nb, Hf)N , 2 – (Ti, V, Zr, Nb, Hf, Ta)N і 3 – TiN. Без у...
Saved in:
| Published in: | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Date: | 2014 |
| Main Authors: | , , , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2014
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/79908 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Влияние потенциала смещения и давления азота на структурно-напряженное состояние и свойства нитридных покрытий, полученных испарением высокоэнтропийных сплавов вакуумно-дуговым методом / О.В. Соболь, А.А. Андреев, В.Н. Воеводин, В.Ф. Горбань, С.Н. Григорьев, М.А. Волосова, И.В. Сердюк // Вопросы атомной науки и техники. — 2014. — № 1. — С. 141-146. — Бібліогр.: 25 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860004940099878912 |
|---|---|
| author | Соболь, О.В. Андреев, А.А. Воеводин, В.Н. Горбань, В.Ф. Григорьев, С.Н. Волосова, М.А. Сердюк, И.В. |
| author_facet | Соболь, О.В. Андреев, А.А. Воеводин, В.Н. Горбань, В.Ф. Григорьев, С.Н. Волосова, М.А. Сердюк, И.В. |
| citation_txt | Влияние потенциала смещения и давления азота на структурно-напряженное состояние и свойства нитридных покрытий, полученных испарением высокоэнтропийных сплавов вакуумно-дуговым методом / О.В. Соболь, А.А. Андреев, В.Н. Воеводин, В.Ф. Горбань, С.Н. Григорьев, М.А. Волосова, И.В. Сердюк // Вопросы атомной науки и техники. — 2014. — № 1. — С. 141-146. — Бібліогр.: 25 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Вопросы атомной науки и техники |
| description | Проведено дослідження впливу негативного потенціалу зсуву і тиску азоту на структурно-напружений
стан і властивості вакуумно-дугових нітридних покриттів. Проведено порівняння даних за трьома групами
покриттів: 1 – (Ti ,V, Zr, Nb, Hf)N , 2 – (Ti, V, Zr, Nb, Hf, Ta)N і 3 – TiN. Без урахування крапельної складової
багатоелементні нітридні покриття, нанесені в азоті, є однофазними з кубічними ГЦК-гратками (структурний тип NaCl). На субструктурному рівні в цих покриттях підвищення тиску азоту призводить до збільшення розмірів кристалітів і релаксації мікродеформації, а підвищення потенціалу зсуву – до зворотного ефекту.
За абсолютною величиною мікродеформація в таких покриттях вища, а розмір кристалітів – менше, ніж для
мононітридів. Найбільша твердість 70 ГПа досягнута в нітридних покриттях, нанесених вакуумно-дуговим
випаровуванням (Ti, V, Zr, Nb, Hf) сплаву при тиску азоту 0,35 Па.
Проведено дослідження впливу негативного потенціалу зсуву і тиску азоту на структурно-напружений
стан і властивості вакуумно-дугових нітридних покриттів. Проведено порівняння даних за трьома групами
покриттів: 1 – (Ti ,V, Zr, Nb, Hf)N , 2 – (Ti, V, Zr, Nb, Hf, Ta)N і 3 – TiN. Без урахування крапельної складової
багатоелементні нітридні покриття, нанесені в азоті, є однофазними з кубічними ГЦК-гратками (структур-
ний тип NaCl). На субструктурному рівні в цих покриттях підвищення тиску азоту призводить до збільшен-
ня розмірів кристалітів і релаксації мікродеформації, а підвищення потенціалу зсуву до зворотного ефекту.
За абсолютною величиною мікродеформація в таких покриттях вища, а розмір кристалітів – менше, ніж для
мононітридів. Найбільша твердість 70 ГПа досягнута в нітридних покриттях, нанесених вакуумно-дуговим
випаровуванням (Ti, V, Zr, Nb, Hf) сплаву при тиску азоту 0,35 Па.
A study of the influence of the negative bias potential and pressure of the atmosphere of nitrogen on the structural
properties of the stress state and vacuum-arc nitride coatings. The comparison data for the three groups of coatings:
1 – (Ti, V, Zr, Nb, Hf) N, 2 – (Ti, V, Zr, Nb, Hf, Ta) N , and 3 – TiN. Excluding the drop component, multielement
nitride coatings deposited in nitrogen are single phase with cubic fcc lattice (structural type NaCl). At the
level of substructure in these coatings increase the nitrogen pressure leads to an increase in the crystallite size and
microstrain relaxation , and increase the capacity of displacement – the opposite effect. The absolute value of microdeformation
in such coatings is higher and the size of crystallites – less than mononitrides. Maximum hardness of
70 GPa achieved nitride coatings deposited by vacuum arc evaporation (Ti, V, Zr, Nb, Hf) alloy at a nitrogen pressure
of 0.35 Pa.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:38:25Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2014. №1(89) 141
УДК 621.793: 539.61:669.018
ВЛИЯНИЕ ПОТЕНЦИАЛА СМЕЩЕНИЯ И ДАВЛЕНИЯ АЗОТА
НА СТРУКТУРНО-НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ
И СВОЙСТВА НИТРИДНЫХ ПОКРЫТИЙ,
ПОЛУЧЕННЫХ ИСПАРЕНИЕМ ВЫСОКОЭНТРОПИЙНЫХ
СПЛАВОВ ВАКУУМНО-ДУГОВЫМ МЕТОДОМ
О.В. Соболь, А.А. Андреев*, В.Н. Воеводин*, В.Ф. Горбань**,
С.Н. Григорьев***, М.А. Волосова***, И.В. Сердюк*
НТУ «Харьковский политехнический институт», Харьков, Украина;
*ННЦ «Харьковский физико-технический институт», Харьков, Украина;
**Институт проблем материаловедения им. И.М. Францевича, Киев, Украина;
***Московский государственный технологический университет «Станкин»,
Москва, Россия
Проведено исследование влияния отрицательного потенциала смещения и давления атмосферы азота на
структурно-напряженное состояние и свойства вакуумно-дуговых нитридных покрытий. Проведено сопо-
ставление данных по трем группам покрытий: 1 – (Ti, V, Zr, Nb, Hf)N, 2 – (Ti, V, Zr, Nb, Hf, Ta)N и 3 – TiN.
Без учета капельной составляющей многоэлементные нитридные покрытия, осажденные в азоте, являются
однофазными с кубической ГЦК-решеткой (структурный тип NaCl). На субструктурном уровне в этих по-
крытиях повышение давления азота приводит к увеличению размеров кристаллитов и релаксации микроде-
формации, а повышение потенциала смещения – к обратному эффекту (увеличение микродеформации). По
абсолютной величине микродеформация в таких покрытиях выше, а размер кристаллитов – меньше, чем для
мононитридов. Наибольшая твердость (70 ГПа) достигнута в нитридных покрытиях, осажденных вакуумно-
дуговым испарением (Ti, V, Zr, Nb, Hf) сплава при давлении азота 0,35 Па.
ВВЕДЕНИЕ
Созданные в последние годы многоэлементные
нитриды, а также многослойные системы показы-
вают высокие механические свойства [1-4]. При
этом одно из наиболее высоких механических
свойств, в частности твердость, присуща нитридам
высокоэнтропийных сплавов (НВЭС) [5-14]. Среди
многочисленных систем, обладающих наибольшей
твердостью, следует отметить системы из тяжелых
элементов с высокой энергией связи компонентов с
азотом при образовании нитридов, и, в частности,
систему на основе Ti, V, Zr, Nb, Hf [15].
Цель данной работы заключалась в анализе вли-
яния отрицательного потенциала подложки и давле-
ния азотной атмосферы на структурно-напряженное
состояние и твердость нитридов на базе высокоэн-
тропийных сплавов Ti, V, Zr, Nb, Hf и
Ti, V, Zr, Nb, Hf, Ta.
МЕТОДИКА ПОЛУЧЕНИЯ
И ИССЛЕДОВАНИЯ ОБРАЗЦОВ
Образцы были получены вакуумно-дуговым ис-
парением на установке «Булат-6». Слитки из высо-
коэнтропийных сплавов систем Ti-V-Zr-Nb-Hf (пя-
тиэлементный сплав) и Ti-V-Zr-Nb-Hf-Ta (шести-
элементный сплав) изготавливали методом вакуум-
но-дуговой плавки в атмосфере высокочистого ар-
гона. В качестве подложки использованы полиро-
ванные пластинки размером 20х20х3 мм из нержа-
веющей стали 12Х18Н9Т, а также из медной фольги
толщиной 0,2 мм. Осаждение покрытий производи-
ли при подаче на подложку постоянного отрица-
тельного потенциала Ub = -(50…200) В, токе дуги
85 А, давлении остаточных газов 0,0066 Пa и раз-
личных давлениях азота 0,04…0,65 Пa. Скорость
осаждения составляла около 4 нм/с.
Исследование структурно-напряженного состоя-
ния проводилось на дифрактометре ДРОН-3М в из-
лучении Cu-Kα. Для монохроматизации регистриру-
емого излучения применяли графитовый монохро-
матор, который устанавливался во вторичном пучке
(перед детектором). Изучение фазового состава,
структуры (текстуры, субструктуры) производили с
помощью традиционных методик рентгеновской
дифрактометрии путем анализа положения, интен-
сивности и формы профилей дифракционных ре-
флексов. Для расшифровки дифрактограмм исполь-
зовались таблицы международного центра дифрак-
ционных данных Powder Diffraction File. Субструк-
турные характеристики определяли методом ап-
проксимации [16]. Для изучения макронапряженно-
деформированного состояния в покрытиях с куби-
ческой (структурный тип NaCl) кристаллической
решеткой использовался метод рентгеновской тен-
зометрии (« ψ
2sina »-метод). В случае сильной
текстуры применялся модифицированный
« 2sina »-метод, основанный на том, что измере-
ние межплоскостных расстояний производилось от
различных плоскостей при определенных кристал-
лографически заданных углах наклона ψ образца
[17-18].
Микроиндентирование проводили на установке
«Микрон-гамма» [19] при нагрузке до F = 0,5 Н ал-
мазной пирамидой Берковича с углом заточки 65º с
автоматически выполняемыми нагружением и раз-
гружением на протяжении 30 с.
142 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2014. №1(89)
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Известно, что подача отрицательного потенциа-
ла смещения на подложку при осаждении позволяет
в значительной степени избавиться от присутствия в
формируемом материале капельной фазы [20-22].
При этом с увеличением отрицательного потенциала
смещения до -200 В существенно уменьшается как
количество, так и размер капельной фазы в покры-
тии. Вторым, наиболее весомым, фактором измене-
ния структуры и свойств вакуумно-дуговых покры-
тий является давление рабочей атмосферы (в случае
получения нитридных покрытий – атмосферы азота
РN).
Анализ полученных рентгенодифракционных
спектров показывает, что при осаждении в интерва-
ле РN = 0,04…0,65 Пa в покрытиях происходит обра-
зование твердого раствора на основе ГЦК-решетки с
внедренными в октаэдрические междоузлия азот-
ными атомами (структурный тип NaCl).
Для сравнительного анализа влияния состава ис-
паряемого материала на фазово-структурное состо-
яние покрытий при различных значениях отрица-
тельного потенциала в работе было проведено сопо-
ставление для трех групп покрытий: 1 – покрытия на
базе нитрида пятиэлементного (Ti, V, Zr, Nb, Hf)
сплава; 2 – покрытия на базе нитрида шестиэле-
ментного (Ti, V, Zr, Nb, Hf, Ta) сплава; 3 – TiN-
покрытия. Для создания покрытий из пятиэлемент-
ного сплава использовался сплав, в котором соот-
ношение элементов было распределено следующим
образом: Ti, V (легкое наполнение, 47…50 а.е.м.) –
40 ат.%; Zr, Nb (среднее наполнение, 91…92 а.е.м.) –
около 45 ат.% и Hf (тяжелое наполнение,
178…180 а.е.м.) – около 15 ат.%. Для создания по-
крытий из шестиэлементного сплава использовался
сплав со следующим соотношением элементов:
Ti, V (легкое наполнение, 47…50 а.е.м.) – 20 ат.%;
Zr, Nb (среднее наполнение, 91…92 а.е.м.) – около
45 ат.% и Hf, Та (тяжелое наполнение,
178…180 а.е.м.) – около 35 ат.%.
Таким образом, в первой группе число атомов
средних и тяжелых масс близко к легким, а во вто-
рой – превышает их почти в 4 раза.
Сопоставление дифракционных спектров покры-
тий, полученных при наибольшем давлении азота
(0,65 Па) (рис. 1), показывает, что для всех трех
групп покрытий характерно развитие текстуры
[111]. При этом в случае многоэлементных сплавов
большая ширина рефлексов при θ-сканировании
свидетельствует об уменьшении степени совершен-
ства текстуры по сравнению с TiN. Отметим, что
высокая интенсивность рефлексов в
(Ti, V, Zr, Nb, Hf, Ta)N-покрытии определяется
большим удельным содержанием в нем тяжелой
составляющей с большей отражательной способно-
стью.
При давлении азота 0,35 Па на спектрах покры-
тий (Ti, V, Zr, Nb, Hf)N наблюдается преимуще-
ственная ориентация кристаллитов [220] (спектр 2
на рис. 2).
30 40 50 60 70 80
0
20000
40000
60000
80000
100000
(2
22
)
I,
ус
л.
е
д.
3
2
1
2 град
(1
11
)
Рис. 1. Участки дифракционных спектров
нитридных покрытий, полученных при Ub = -200 В
и давлении PN = 0,65 Па: TiN (1);
(Ti, V, Zr, Nb, Hf)N (2); (Ti, V, Zr, Nb, Hf, Ta)N (3)
30 40 50 60 70 80
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
(2
00
) (2
20
)
(3
11
)
(2
22
)
(1
11
)
3
2
1
I,
ус
л.
е
д.
2 град
Рис. 2. Участки дифракционных спектров
нитридных покрытий, полученных при Ub = -200 В
и давлении PN = 0,35 Па: TiN (1);
(Ti, V, Zr, Nb, Hf)N (2); (Ti, V, Zr, Nb, Hf, Ta)N (3)
При уменьшении давления азота до 0,09 Па, ко-
гда в плазменном потоке в значительной степени
увеличивается средний заряд металлических ионов
и их концентрация [23], действие радиационного
фактора, связанного с бомбардировкой растущего
покрытия ионами металлов, становится определяю-
щим, что проявляется (рис. 3, спектры 2 и 3) в уси-
лении текстуры [220] в покрытиях
(Ti, V, Zr, Nb, Hf)N и появлении текстуры [311] в
покрытиях (Ti, V, Zr, Nb, Hf, Ta)N.
40 60 80
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
35000
40000
(2
22
)
(3
11
)
(2
00
)
(2
20
)
(1
11
)
3
2
1
2 град
I,
ус
л.
е
д.
Рис. 3. Участки дифракционных спектров
нитридных покрытий, полученных при Ub = -200 В
и давлении PN = 0,09 Па: TiN (1);
(Ti, V, Zr, Nb, Hf)N (2); (Ti, V, Zr, Nb, Hf, Ta)N (3)
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2014. №1(89) 143
При этом следует отметить, что на поверхности
покрытий происходит формирование капельной
фазы двух типов (рис. 4): конусообразной и сферо-
подобной. Состав конусообразных капель характе-
ризуется относительно малым содержанием Ta
(25…30 мас.%) и повышенным содержанием Ti, Zr и
Hf, а состав сфероподобных – повышенным содер-
жанием Ta и Nb. В таблице приведены усредненные
значения составов этих капель.
Наличие капель двух типов может свидетель-
ствовать о локальной неоднородности катода, а так-
же о том, что присутствие тантала в каплях суще-
ственно снижает их коэффициент распыления.
а б
Рис. 4. Микрофотографии поверхности шестиэлементного нитридного покрытия, полученного
при Ub = -200 В, РN = 0,35 Па: а – общий вид поверхности, б – ореол у распыленных капель
Состав капель шестиэлементного покрытия (Ti, V, Zr, Nb, Hf, Та)N
Форма капли Ti V Zr Nb Hf Ta
Конусообразная 6,05 0,45 30,89 20,06 17,46 25,09
Сфероподобная 3,31 0,61 12,66 28,61 8,49 46,33
При снижении давления азота до 0,04 Па дей-
ствие радиационного фактора при недостатке ато-
мов азота приводит к усилению текстуры [311] в
покрытиях с наибольшим удельным содержанием
тяжелой составляющей Та (рис. 5, спектр 3).
Рис. 5. Участки дифракционных спектров
нитридных покрытий, полученных при Ub = -200 В
и давлении PN = 0,04 Па: TiN (1);
(Ti, V, Zr, Nb, Hf)N (2); (Ti, V, Zr, Nb, Hf, Ta)N (3)
Следует отметить, что в исследуемых покрыти-
ях при уменьшении Ub до -100 В радиационное вли-
яние на текстурообразование не выявляется (рис. 6).
Для всего диапазона давлений характерно образова-
ние монотекстурного состояния с преимуществен-
ной ориентацией [111], свойственной для этого по-
тенциала смещения при вакуумно-дуговом получе-
нии мононитридных покрытий, таких как TiN, ZrN
[24].
30 40 50 60 70
0
20000
40000
60000
80000
100000
(2
22
)Г
Ц
К
(3
11
)Г
Ц
К
(2
20
)Г
Ц
К
(2
00
)Г
Ц
К
(1
11
)Г
Ц
К
I,
ус
ло
в.
е
д.
2, град
1
2
3
4
Рис. 6. Участки дифракционных спектров
(Ti, V, Zr, Nb, Hf)N-покрытий, полученных
при Ub = -100 В и давлениях азота (РN, Па):
0,04 (1); 0,09 (2 ); 0,35 (3); 0,65 (4)
Результирующие данные исследования суб-
структурных характеристик (размер кристаллитов,
микродеформация), полученные методом аппрокси-
мации [16], обобщены на рис. 7 и 8.
Видно, что в случае многоэлементных нитрид-
ных покрытий в отличие от TiN происходит умень-
шение среднего размера кристаллитов и увеличение
микродеформации. В особенности это характерно
для (Ti, V, Zr, Nb, Hf, Та)N-покрытий (см. кривые 3
на рис. 7 и 8).
144 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2014. №1(89)
0,01 0,1 1
0
50
100
150
200
3
2
1
4
Р, Па
L,
н
м
Рис. 7. Зависимости размера зерен-кристаллитов
от давления азота для покрытий
(Ti, V, Zr, Nb, Hf)N, осажденных при потенциалах
смещения: -100 В (1); -200 В (2);
для покрытий, осажденных при потенциале -200 В:
(Ti, V, Zr, Nb, Hf, Та)N (3) и TiN (4)
0,01 0,1 1
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
Р, Па
1
2
3
4
<
>,
%
Рис. 8. Зависимости микродеформации от давления
азота для покрытий (Ti, V, Zr, Nb, Hf)N,
осажденных при потенциалах смещения:
-100 В (1); -200 В (2);
для покрытий, осажденных при потенциале -200 В:
(Ti, V, Zr, Nb, Hf, Та)N (3) и TiN (4)
Усиление микродеформированного состояния,
вызванное различием атомных радиусов компонен-
тов, приводит к уменьшению кристаллитов. Кроме
этого, наблюдаются значительный рост микроде-
формации и уменьшение среднего размера кристал-
литов при уменьшении давления. Причиной этого
является формирование дефектной структуры на
поверхности покрытия с большим числом центров
кристаллизации из-за увеличения концентрации
ионов в плазме и их среднего заряда [23]. В сравне-
нии с TiN, покрытия НВЭС имеют существенно
меньший средний размер кристаллитов при одина-
ковых давлениях азота (см. рис. 7). Введение шесто-
го тяжелого элемента (Та) приводит к уменьшению
среднего размера зерен-кристаллитов, что особенно
заметно для низких давлений.
Так видно (см. рис. 8), что наибольшая микроде-
формация присуща покрытиям (Ti, V, Zr, Nb, Hf, Та)N
(кривая 3) при низких давлениях азота. Это является
следствием разности атомных радиусов составляю-
щих компонентов, которые при более низком давле-
нии бомбардируют покрытие с большей энергией.
Из этого можно сделать вывод, что при низком дав-
лении основной вклад в развитие микродеформации
вносят ускоренные в поле потенциала смещения
ионы. При этом в (Ti, V, Zr, Nb, Hf)N-покрытиях
максимальное значение деформации изменяется от
0,8% при потенциале -100 В до 1,1% при -200 В.
В (Ti, V, Zr, Nb, Hf, Та)N уровень микродеформации
выше и достигает при -200 В величины 1,42% (кри-
вая 3).
При увеличении давления азота, когда энергия
осаждаемых частиц снижается, во всех покрытиях
наблюдается уменьшение микродеформации.
Сравнение с соответствующими параметрами
для TiN-покрытий (cм. рис. 8, кривая 4) показывает,
что по абсолютной величине развивающаяся в TiN-
покрытиях микродеформация значительно ниже и
только при больших давлениях и пересыщении по
азотным атомам становится сравнимой с многоэле-
ментными нитридами.
Анализ напряженно-деформированного состоя-
ния, проведенный методом многократных наклон-
ных съемок («а-sin2ψ»-метод) показал, что как для
покрытий (Ti, V, Zr, Nb, Hf)N, так и
(Ti, V, Zr, Nb, Hf, Та)N повышение давления азота
приводит к увеличению отрицательного угла накло-
на графиков, что свидетельствует о развитии боль-
шей деформации сжатия. Характерной чертой для
покрытий НВЭС является пересечение графиков в
точке, для которой sin2ψ ≈ 0,4. В случае кубической
решетки такое пересечение соответствует величине
коэффициента Пуассона (μ), близкой к 0,25
(sin2ψо = 2μ/(1+μ) [25]), что характерно для нитридов
с сильной ковалентной связью между металлом и
азотом, таких, например, как TiN. Увеличение пери-
ода решетки при sin2ψо = 0,4 от 0,44294 нм для по-
крытия из пятиэлементного сплава до 0,44485 нм
для покрытия (Ti, V, Zr, Nb, Hf, Та)N связано с уве-
личением удельного содержания металлических
составляющих с большим атомным радиусом: Hf и
Та.
Изучение такой наиболее универсальной харак-
теристики механических свойств покрытий, как
твердость, показало (рис. 9), что для исследованных
покрытий НВЭС наивысшая твердость достигается
при давлении 0,35 Па, при котором, с одной сторо-
ны, достаточно высокое напряженно-
деформированное состояние сжатия в покрытиях, а,
с другой стороны, соотношение между металличе-
скими и азотными атомами близко к эквиатомному.
Сравнение с покрытиями TiN, полученными при
Ub = -200 В, показывает, что по абсолютным значе-
ниям твердость нитридных покрытий из пяти- и ше-
стиэлементных сплавов значительно больше, чем у
TiN (см. рис. 9, кривая 3).
Видно, что наибольшую твердость показывают
покрытия, полученные при давлении 0,35 Па. Кроме
того, к более высокой твердости многоэлементных
нитридных покрытий приводит большая микроде-
формация в кристаллитах, связанная с присутствием
в них разноатомных (с разным атомным радиусом)
составляющих, что стимулирует формирование бо-
лее мелкой кристаллической наноструктуры.
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2014. №1(89) 145
0,1 1
20
30
40
50
60
70
80
Р, Па
3
2
1
H
, Г
П
а
Рис. 9. Зависимости микротвердости от давления
азота при потенциале -200 В для покрытий:
(Ti, V, Zr, Nb, Hf)N (1);
(Ti, V, Zr, Nb, Hf, Та)N (2) и TiN (3)
ВЫВОДЫ
Без учета капельной составляющей НВЭС по-
крытия, осажденные в азотной атмосфере, являются
однофазными с кубической ГЦК-решеткой (струк-
турный тип NaCl). Подача на подложку Ub = -200 В
приводит к образованию радиационно-
стимулированной текстуры с осью [110] в покрыти-
ях (Ti, V, Zr, Nb, Hf)N, для которых содержание лег-
ких металлических составляющих (Ti, V) значи-
тельно превышает содержание тяжелых (Hf), и c
осью [311] в покрытиях (Ti, V, Zr, Nb, Hf, Та)N, для
которых содержание легких металлических состав-
ляющих (Ti, V) сравнимо с содержанием тяжелых
составляющих (Hf, Та). При уменьшении потенциа-
ла смещения до -100 В радиационное влияние на
текстурообразование в исследованных покрытиях
НВЭС не наблюдается. В покрытиях, осажденных
при наибольшем давлении 0,65 Па для всех иссле-
дованных в работе систем, формируется текстура
деформации c осью [111], перпендикулярной по-
верхности роста. Коэффициент Пуассона покрытий
НВЭС, осажденных из высокоэнтропийных сплавов,
имеет величину, близкую к 0,25, что характерно для
мононитридов, имеющих сильную Ме-N-связь. На
субструктурном уровне в покрытиях НВЭС повы-
шение давления азота приводит к увеличению раз-
меров кристаллитов и релаксации микродеформа-
ции. По абсолютной величине микродеформация в
таких покрытиях выше, чем для мононитридов. Это
связано с наличием в кристаллической решетке
НВЭС покрытий нескольких элементов с суще-
ственно отличающимися атомными радиусами.
Увеличение потенциала смещения приводит в по-
крытиях НВЭС к росту микродеформации и умень-
шению среднего размера кристаллитов. При
наибольшем давлении 0,65 Па с повышением Ub
размер кристаллитов увеличивается. Наибольшая
твердость достигает величины 70 ГПа в нитридных
покрытиях (Ti, V, Zr, Nb, Hf)N при давлении азота
около 0,35 Па. Особенностями такого состояния
является наличие битекстурного состояния; состава,
близкого к стехиометрическому по азоту и средних
размеров кристаллитов около 40 нм.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Nanostructured coatings / Edited by: Cavaleiro,
Albano, De Hosson, Jeff Th.M. Springer. Verlag, 2006,
648 p.
2. А.А. Азаренков, О.В. Соболь, А.Д. Погребняк,
В.М. Береснев. Инженерия вакуумно-плазменных
покрытий. Харьков: Изд-во ХНУ им. Каразина, 2011,
344 с.
3. A.D. Pogrebnjak, A.P. Shpak, N.A. Azarenkov,
and V.M. Beresnev. Structures and properties of hard
and superhard nanocomposite coatings // Physics-
Uspekhi. 2009, v. 52, №1, p. 29-54 (in Russian).
4. O.V. Sobol', A.A. Andreev, S.N. Grigoriev, et al.
Vacuum-arc multilayer nanostructured TiN/Ti coatings:
structure, stress state, properties // Metal science and
heat treatment. 2012, v. 54, issue 1-2, p. 28-33.
5. T.K. Chen, T.T. Shun, J.W. Yeh, M.S. Wong //
Surf. Coat. Technol. 2004, v. 188-189, p. 193.
6. V. Dolique, A.L. Thomann, P. Brault, Y. Tessier,
P. Gillon // Surf. Coat. Technol. 2010, v. 204, p. 1989.
7. C.H. Lai, S.J. Lin, J.W. Yeh, S.Y. Chang // Surf.
Coat. Technol. 2006, v. 201, p. 3275.
8. C.H. Lai, S.J. Lin, J.W. Yeh, S.Y. Chang // Surf.
Coat. Technol. 2006, v. 201, p. 3275; C.H. Lin,
J.G. Duh, J.W. Yeh // Surf. Coat. Technol. 2007, v. 201,
p. 6304.
9. H.W. Chang, P.K. Huang, A. Davison,
J.W. Yeh, C.H. Tsau, C.C. Yang // Thin Solid Films.
2008, v. 516, p. 6402.
10. M.H. Tsai, C.H. Lai, J.W. Yeh, J.Y. Gan //
J. Phys. D. 2008, v. 41, p. 235402-1.
11. P.K. Huang, J.W. Yeh // Surf. Coat. Technol.
2009, v. 203, p. 1891.
12. D.C. Tsai, Y.L. Huang, S.R. Lin, S.C. Liang,
F.S. Shieu // Appl. Surf. Sci. 2010, v. 257, p. 1361.
13. S.C. Liang, Z.C. Chang, D.C. Tsai, Y.C. Lin,
H.S. Sung, M.J. Deng, F.S. Shieu // Appl. Surf. Sci.
2011, v. 257, p. 7709.
14. M. Braic, V. Braic, M. Balaceanu, C.N. Zoita,
A. Vladescu, E. Grigore // Surf. Coat. Technol. 2010,
v. 204, p. 2010.
15. O.V. Sobol’, A.A. Andreev, V.F. Gorban’,
N.A. Krapivka, V.A. Stolbovoi, I.V. Serdyuk,
V.E. Fil’chikov. Reproducibility of the single-phase
structural state of the multielement high-nb entropy Ti-
V-Zr-Nb-Hf system and related superhard nitrides
formed by the vacuum-arc method // Technical Physics
Letters. 2012, v. 38, №7, р. 616-619.
16. Л.С. Палатник, М.Я. Фукс, В.М. Косевич.
Механизм образования и субструктура конденсиро-
ванных пленок. М.: «Наука», 1972, 320 с.
17. I.C. Noyan, J.B. Cohen. Residual Stress Meas-
urement by Diffraction and Interpretation. New York:
Springer-Verlag, 1987, 350 р.
18. C. Genzel, W. Reinmers. A Study of X-ray
Residual-Stress Gradient Analisys in Thin-Layers with
Strong Filer Texture // Phys. Stat. Solidi: A-Applied
Research. 1998, v. 166, №2, р. 751-762.
19. E. Aznakayev. Proceedings of the Internation-
al Conference “Small Talk–2003”, San Diego, Califor-
nia, USA, TP.001. 2003, р. 8.
146 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2014. №1(89)
20. А.А. Андреев, Л.П. Саблев, С.Н. Григорьев.
Вакуумно-дуговые покрытия. Харьков: ННЦ ХФТИ,
2010, 317 с.
21. O.V. Sobol', A.D. Pogrebnyak, V.M. Beresnev.
Effect of the Preparation Conditions on the Phase Com-
position, Structure, and Mechanical Characteristics of
Vacuum-Arc Zr-Ti-Si-N Coatings // Physics of Metals
and Metallography. 2011, v. 112:2, p. 188-195.
22. O.V. Sobol', A.A. Andreev, S.N. Grigoriev, et
al. Effect of high-voltage pulses on the structure and
properties of titanium nitride vacuum-arc coatings //
Metal science and heat treatment. 2012, v. 54, issue 3-4,
p. 195-205.
23. И.И. Аксенов. Вакуумная дуга в эрозионных
источниках плазмы. Харьков: ННЦ ХФТИ, 2005,
211 с.
24. N.A. Azarenkov, O.V. Sobol’, A.D. Pogre-
bnjak, V.M. Beresnev, S.V. Lytovchenko, O.N. Ivanov.
Matrialovedenie neravnovesnogo sostoyania modifici-
rovannoy poverhnosty // The Materials Science of Non-
equilibrium States of Modified Surface. Sumy: Sumy
State University, 2012, 683 p.
25. O.V. Sobol`. Control of the Structure and
Stress State of thin films and coatings in the process of
their preparation by ion-plasma methods // Physics of
the Solid State. 2011, v. 53, №7, p. 1464-1473.
Статья поступила в редакцию 13.11.2013 г.
ВПЛИВ ПОТЕНЦІАЛУ ЗСУВУ ТА ТИСКУ АЗОТУ НА СТРУКТУРНО-НАПРУЖЕНИЙ
СТАН І ВЛАСТИВОСТІ НІТРИДНИХ ПОКРИТТІВ, ОТРИМАНИХ ВИПАРУВАННЯМ
ВИСОКОЕНТРОПІЙНИХ СПЛАВІВ ВАКУУМНО-ДУГОВИМ МЕТОДОМ
О.В. Соболь, А.А. Андрєєв, В.М. Воєводін, В.Ф. Горбань, С.Н. Григорьєв, М.О. Волосова, І.В. Сердюк
Проведено дослідження впливу негативного потенціалу зсуву і тиску азоту на структурно-напружений
стан і властивості вакуумно-дугових нітридних покриттів. Проведено порівняння даних за трьома групами
покриттів: 1 – (Ti ,V, Zr, Nb, Hf)N , 2 – (Ti, V, Zr, Nb, Hf, Ta)N і 3 – TiN. Без урахування крапельної складової
багатоелементні нітридні покриття, нанесені в азоті, є однофазними з кубічними ГЦК-гратками (структур-
ний тип NaCl). На субструктурному рівні в цих покриттях підвищення тиску азоту призводить до збільшен-
ня розмірів кристалітів і релаксації мікродеформації, а підвищення потенціалу зсуву – до зворотного ефекту.
За абсолютною величиною мікродеформація в таких покриттях вища, а розмір кристалітів – менше, ніж для
мононітридів. Найбільша твердість 70 ГПа досягнута в нітридних покриттях, нанесених вакуумно-дуговим
випаровуванням (Ti, V, Zr, Nb, Hf) сплаву при тиску азоту 0,35 Па.
POTENTIAL EFFECTS OF BIAS AND NITROGEN PRESSURE ON STRUCTURAL-STRESS
STATE AND PROPERTIES OF NITRIDE COATINGS, OBTAINED BY EVAPORATION OF
HIGH-ENTROPY ALLOYS BY VACUUM ARC
O.V. Sobol', A.A. Andreev, V.N. Voyevodin, V.F. Gorban', S.N. Grigoriev, M.A. Volosova, I.V. Serdjuk
A study of the influence of the negative bias potential and pressure of the atmosphere of nitrogen on the struc-
tural properties of the stress state and vacuum-arc nitride coatings. The comparison data for the three groups of coat-
ings: 1 – (Ti, V, Zr, Nb, Hf) N, 2 – (Ti, V, Zr, Nb, Hf, Ta) N , and 3 – TiN. Excluding the drop component, multi-
element nitride coatings deposited in nitrogen are single phase with cubic fcc lattice (structural type NaCl). At the
level of substructure in these coatings increase the nitrogen pressure leads to an increase in the crystallite size and
microstrain relaxation , and increase the capacity of displacement – the opposite effect. The absolute value of mi-
crodeformation in such coatings is higher and the size of crystallites – less than mononitrides. Maximum hardness of
70 GPa achieved nitride coatings deposited by vacuum arc evaporation (Ti, V, Zr, Nb, Hf) alloy at a nitrogen pres-
sure of 0.35 Pa.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-79908 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1562-6016 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:38:25Z |
| publishDate | 2014 |
| publisher | Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Соболь, О.В. Андреев, А.А. Воеводин, В.Н. Горбань, В.Ф. Григорьев, С.Н. Волосова, М.А. Сердюк, И.В. 2015-04-08T18:44:20Z 2015-04-08T18:44:20Z 2014 Влияние потенциала смещения и давления азота на структурно-напряженное состояние и свойства нитридных покрытий, полученных испарением высокоэнтропийных сплавов вакуумно-дуговым методом / О.В. Соболь, А.А. Андреев, В.Н. Воеводин, В.Ф. Горбань, С.Н. Григорьев, М.А. Волосова, И.В. Сердюк // Вопросы атомной науки и техники. — 2014. — № 1. — С. 141-146. — Бібліогр.: 25 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/79908 621.793: 539.61:669.018 Проведено дослідження впливу негативного потенціалу зсуву і тиску азоту на структурно-напружений
 стан і властивості вакуумно-дугових нітридних покриттів. Проведено порівняння даних за трьома групами
 покриттів: 1 – (Ti ,V, Zr, Nb, Hf)N , 2 – (Ti, V, Zr, Nb, Hf, Ta)N і 3 – TiN. Без урахування крапельної складової
 багатоелементні нітридні покриття, нанесені в азоті, є однофазними з кубічними ГЦК-гратками (структурний тип NaCl). На субструктурному рівні в цих покриттях підвищення тиску азоту призводить до збільшення розмірів кристалітів і релаксації мікродеформації, а підвищення потенціалу зсуву – до зворотного ефекту.
 За абсолютною величиною мікродеформація в таких покриттях вища, а розмір кристалітів – менше, ніж для
 мононітридів. Найбільша твердість 70 ГПа досягнута в нітридних покриттях, нанесених вакуумно-дуговим
 випаровуванням (Ti, V, Zr, Nb, Hf) сплаву при тиску азоту 0,35 Па. Проведено дослідження впливу негативного потенціалу зсуву і тиску азоту на структурно-напружений
 стан і властивості вакуумно-дугових нітридних покриттів. Проведено порівняння даних за трьома групами
 покриттів: 1 – (Ti ,V, Zr, Nb, Hf)N , 2 – (Ti, V, Zr, Nb, Hf, Ta)N і 3 – TiN. Без урахування крапельної складової
 багатоелементні нітридні покриття, нанесені в азоті, є однофазними з кубічними ГЦК-гратками (структур-
 ний тип NaCl). На субструктурному рівні в цих покриттях підвищення тиску азоту призводить до збільшен-
 ня розмірів кристалітів і релаксації мікродеформації, а підвищення потенціалу зсуву до зворотного ефекту.
 За абсолютною величиною мікродеформація в таких покриттях вища, а розмір кристалітів – менше, ніж для
 мононітридів. Найбільша твердість 70 ГПа досягнута в нітридних покриттях, нанесених вакуумно-дуговим
 випаровуванням (Ti, V, Zr, Nb, Hf) сплаву при тиску азоту 0,35 Па. A study of the influence of the negative bias potential and pressure of the atmosphere of nitrogen on the structural
 properties of the stress state and vacuum-arc nitride coatings. The comparison data for the three groups of coatings:
 1 – (Ti, V, Zr, Nb, Hf) N, 2 – (Ti, V, Zr, Nb, Hf, Ta) N , and 3 – TiN. Excluding the drop component, multielement
 nitride coatings deposited in nitrogen are single phase with cubic fcc lattice (structural type NaCl). At the
 level of substructure in these coatings increase the nitrogen pressure leads to an increase in the crystallite size and
 microstrain relaxation , and increase the capacity of displacement – the opposite effect. The absolute value of microdeformation
 in such coatings is higher and the size of crystallites – less than mononitrides. Maximum hardness of
 70 GPa achieved nitride coatings deposited by vacuum arc evaporation (Ti, V, Zr, Nb, Hf) alloy at a nitrogen pressure
 of 0.35 Pa. ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Физика и технология конструкционных материалов Влияние потенциала смещения и давления азота на структурно-напряженное состояние и свойства нитридных покрытий, полученных испарением высокоэнтропийных сплавов вакуумно-дуговым методом Вплив потенціалу зсуву та тиску азоту на структурно-напружений стан і властивості нітридних покриттів, отриманих випаруванням високоентропійних сплавів вакуумно-дуговим методом Potential effects of bias and nitrogen pressure on structural-stress state and properties of nitride coatings, obtained by evaporation of high-entropy alloys by vacuum arc Article published earlier |
| spellingShingle | Влияние потенциала смещения и давления азота на структурно-напряженное состояние и свойства нитридных покрытий, полученных испарением высокоэнтропийных сплавов вакуумно-дуговым методом Соболь, О.В. Андреев, А.А. Воеводин, В.Н. Горбань, В.Ф. Григорьев, С.Н. Волосова, М.А. Сердюк, И.В. Физика и технология конструкционных материалов |
| title | Влияние потенциала смещения и давления азота на структурно-напряженное состояние и свойства нитридных покрытий, полученных испарением высокоэнтропийных сплавов вакуумно-дуговым методом |
| title_alt | Вплив потенціалу зсуву та тиску азоту на структурно-напружений стан і властивості нітридних покриттів, отриманих випаруванням високоентропійних сплавів вакуумно-дуговим методом Potential effects of bias and nitrogen pressure on structural-stress state and properties of nitride coatings, obtained by evaporation of high-entropy alloys by vacuum arc |
| title_full | Влияние потенциала смещения и давления азота на структурно-напряженное состояние и свойства нитридных покрытий, полученных испарением высокоэнтропийных сплавов вакуумно-дуговым методом |
| title_fullStr | Влияние потенциала смещения и давления азота на структурно-напряженное состояние и свойства нитридных покрытий, полученных испарением высокоэнтропийных сплавов вакуумно-дуговым методом |
| title_full_unstemmed | Влияние потенциала смещения и давления азота на структурно-напряженное состояние и свойства нитридных покрытий, полученных испарением высокоэнтропийных сплавов вакуумно-дуговым методом |
| title_short | Влияние потенциала смещения и давления азота на структурно-напряженное состояние и свойства нитридных покрытий, полученных испарением высокоэнтропийных сплавов вакуумно-дуговым методом |
| title_sort | влияние потенциала смещения и давления азота на структурно-напряженное состояние и свойства нитридных покрытий, полученных испарением высокоэнтропийных сплавов вакуумно-дуговым методом |
| topic | Физика и технология конструкционных материалов |
| topic_facet | Физика и технология конструкционных материалов |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/79908 |
| work_keys_str_mv | AT sobolʹov vliâniepotencialasmeŝeniâidavleniâazotanastrukturnonaprâžennoesostoânieisvoistvanitridnyhpokrytiipolučennyhispareniemvysokoéntropiinyhsplavovvakuumnodugovymmetodom AT andreevaa vliâniepotencialasmeŝeniâidavleniâazotanastrukturnonaprâžennoesostoânieisvoistvanitridnyhpokrytiipolučennyhispareniemvysokoéntropiinyhsplavovvakuumnodugovymmetodom AT voevodinvn vliâniepotencialasmeŝeniâidavleniâazotanastrukturnonaprâžennoesostoânieisvoistvanitridnyhpokrytiipolučennyhispareniemvysokoéntropiinyhsplavovvakuumnodugovymmetodom AT gorbanʹvf vliâniepotencialasmeŝeniâidavleniâazotanastrukturnonaprâžennoesostoânieisvoistvanitridnyhpokrytiipolučennyhispareniemvysokoéntropiinyhsplavovvakuumnodugovymmetodom AT grigorʹevsn vliâniepotencialasmeŝeniâidavleniâazotanastrukturnonaprâžennoesostoânieisvoistvanitridnyhpokrytiipolučennyhispareniemvysokoéntropiinyhsplavovvakuumnodugovymmetodom AT volosovama vliâniepotencialasmeŝeniâidavleniâazotanastrukturnonaprâžennoesostoânieisvoistvanitridnyhpokrytiipolučennyhispareniemvysokoéntropiinyhsplavovvakuumnodugovymmetodom AT serdûkiv vliâniepotencialasmeŝeniâidavleniâazotanastrukturnonaprâžennoesostoânieisvoistvanitridnyhpokrytiipolučennyhispareniemvysokoéntropiinyhsplavovvakuumnodugovymmetodom AT sobolʹov vplivpotencíaluzsuvutatiskuazotunastrukturnonapruženiistanívlastivostínítridnihpokrittívotrimanihviparuvannâmvisokoentropíinihsplavívvakuumnodugovimmetodom AT andreevaa vplivpotencíaluzsuvutatiskuazotunastrukturnonapruženiistanívlastivostínítridnihpokrittívotrimanihviparuvannâmvisokoentropíinihsplavívvakuumnodugovimmetodom AT voevodinvn vplivpotencíaluzsuvutatiskuazotunastrukturnonapruženiistanívlastivostínítridnihpokrittívotrimanihviparuvannâmvisokoentropíinihsplavívvakuumnodugovimmetodom AT gorbanʹvf vplivpotencíaluzsuvutatiskuazotunastrukturnonapruženiistanívlastivostínítridnihpokrittívotrimanihviparuvannâmvisokoentropíinihsplavívvakuumnodugovimmetodom AT grigorʹevsn vplivpotencíaluzsuvutatiskuazotunastrukturnonapruženiistanívlastivostínítridnihpokrittívotrimanihviparuvannâmvisokoentropíinihsplavívvakuumnodugovimmetodom AT volosovama vplivpotencíaluzsuvutatiskuazotunastrukturnonapruženiistanívlastivostínítridnihpokrittívotrimanihviparuvannâmvisokoentropíinihsplavívvakuumnodugovimmetodom AT serdûkiv vplivpotencíaluzsuvutatiskuazotunastrukturnonapruženiistanívlastivostínítridnihpokrittívotrimanihviparuvannâmvisokoentropíinihsplavívvakuumnodugovimmetodom AT sobolʹov potentialeffectsofbiasandnitrogenpressureonstructuralstressstateandpropertiesofnitridecoatingsobtainedbyevaporationofhighentropyalloysbyvacuumarc AT andreevaa potentialeffectsofbiasandnitrogenpressureonstructuralstressstateandpropertiesofnitridecoatingsobtainedbyevaporationofhighentropyalloysbyvacuumarc AT voevodinvn potentialeffectsofbiasandnitrogenpressureonstructuralstressstateandpropertiesofnitridecoatingsobtainedbyevaporationofhighentropyalloysbyvacuumarc AT gorbanʹvf potentialeffectsofbiasandnitrogenpressureonstructuralstressstateandpropertiesofnitridecoatingsobtainedbyevaporationofhighentropyalloysbyvacuumarc AT grigorʹevsn potentialeffectsofbiasandnitrogenpressureonstructuralstressstateandpropertiesofnitridecoatingsobtainedbyevaporationofhighentropyalloysbyvacuumarc AT volosovama potentialeffectsofbiasandnitrogenpressureonstructuralstressstateandpropertiesofnitridecoatingsobtainedbyevaporationofhighentropyalloysbyvacuumarc AT serdûkiv potentialeffectsofbiasandnitrogenpressureonstructuralstressstateandpropertiesofnitridecoatingsobtainedbyevaporationofhighentropyalloysbyvacuumarc |