Исследование фазового состава, структуры и свойств многослойных вакуумно-дуговых нанокристаллических покрытий Ti-Mo-N

Проведено дослідження впливу товщини шарів і умов одержання на фазовий склад, структуру і механічні характеристики (твердість і модуль пружності) вакуумно-дугових багатошарових наноструктурних покриттів Tі-Mo₂N. Показано, що при малій товщині шарів (≈2 нм) можливий эпітаксіальний ріст ізострук...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Published in:	Физическая инженерия поверхности
Date:	2010
Main Authors:	Андреев, А.А., Соболь, О.В., Горбань, В.Ф., Столбовой, В.А., Мамон, В.В.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України 2010
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/98842
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:	Исследование фазового состава, структуры и свойств многослойных вакуумно-дуговых нанокристаллических покрытий Ti-Mo-N / А.А. Андреев, О.В. Соболь, В.Ф. Горбань, В.А. Столбовой, В.В. Мамон // Физическая инженерия поверхности. — 2010. — Т. 8, № 1. — С. 28–35. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1859676265629351936
author	Андреев, А.А. Соболь, О.В. Горбань, В.Ф. Столбовой, В.А. Мамон, В.В.
author_facet	Андреев, А.А. Соболь, О.В. Горбань, В.Ф. Столбовой, В.А. Мамон, В.В.
citation_txt	Исследование фазового состава, структуры и свойств многослойных вакуумно-дуговых нанокристаллических покрытий Ti-Mo-N / А.А. Андреев, О.В. Соболь, В.Ф. Горбань, В.А. Столбовой, В.В. Мамон // Физическая инженерия поверхности. — 2010. — Т. 8, № 1. — С. 28–35. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.
collection	DSpace DC
container_title	Физическая инженерия поверхности
description	Проведено дослідження впливу товщини шарів і умов одержання на фазовий склад, структуру і механічні характеристики (твердість і модуль пружності) вакуумно-дугових багатошарових наноструктурних покриттів Tі-Mo₂N. Показано, що при малій товщині шарів (≈2 нм) можливий эпітаксіальний ріст ізоструктурних кубічних модифікацій нітриду титану й нітриду молібдену без утворення двофазного стану. При більшій товщині відбувається формування двофазного матеріалу, де як друга фаза виступає ізоструктурний до нітриду титану високотемпературний нітрид молібдену γ-Mo₂N з кубічними гратками. Збільшення товщини шарів від 2 до 20 нм підвищує термічну стабільність механічних властивостей таких покриттів до високотемпературного (800 °С) відпалу. Для всього інтервалу товщини шарів 2 ÷ 20 нм високотемпературні відпали не призводять до зміни фазового складу покриттів, залишаючи нітрид молібдену в метастабільному γ-Mo₂N станіз кубічними решітками. Причиною стимулювання при осадженні і стабілізації при відпалі γ-Mo₂N стану є вплив другої складової багатошарової системи – нітрид титану (TіN) який має високу енергію зв’язку між металевими й азотними атомами і відповідний γ-Mo₂N тип кристалічних граток. Experiments have been made to investigate the influence of layer thickness and production conditions on the phase composition, structure and mechanical characteristics (hardness and modulus of elasticity) of vacuum-arc multilayer nanostructural coatings TiN-Mo₂N. It is shown that at a small layer thickness (≈2 nm) an epitaxial growth of isostructural cubic modifications of titanium nitride and molybdenum nitride is possible without two-phase state formation. At a greater thickness, a two-phase material is formed, where the second phase is presented by high-temperature cubic-lattice molybdenum nitride γ-Mo₂N, which is isostructural with respect to titanium nitride. A growth in layer thickness from 2 up to 20 nm increases the thermal stability of mechanical properties of these coatings at high-temperature. Experiments have been made to investigate the influence of layer thickness and production conditions on the phase composition, structure and mechanical characteristics (hardness and modulus of elasticity) of vacuum-arc multilayer nanostructural coatings TiN-Mo₂N. It is shown that at a small layer thickness (≈2 nm) an epitaxial growth of isostructural cubic modifications of titanium nitride and molybdenum nitride is possible without two-phase state formation. At a greater thickness, a two-phase material is formed, where the second phase is presented by high-temperature cubic-lattice molybdenum nitride γ-Mo₂N, which is isostructural with respect to titanium nitride. A growth in layer thickness from 2 up to 20 nm increases the thermal stability of mechanical properties of these coatings at high-temperature. annealings (800 °C). For the whole 2 ÷ 20 nm range of layer thicknesses, high-temperature annealings do not cause changes in the phase composition of coatings, leaving molybdenum nitride in the metastable γ-Mo₂N state with a cubic lattice. The reason for γ-Mo₂N state stimulation at deposition and γ-Mo₂N stabilization at annealing lies in the influence of the second constituent of the multilayer system, viz., titanium nitride (TiN), which has a high binding energy between metal and nitrogen atoms, and also, has the type of the crystal lattice corresponding to γ-Mo₂N
first_indexed	2025-11-30T16:31:30Z
format	Article
fulltext	ФІП ФИП PSE, 2010, т. 8, № 1, vol. 8, No. 128 УДК 621.793.7 ИССЛЕДОВАНИЕ ФАЗОВОГО СОСТАВА, СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ МНОГОСЛОЙНЫХ ВАКУУМНО-ДУГОВЫХ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ Ti-Mo-N А.А. Андреев1, О.В. Соболь2, В.Ф. Горбань3, В.А. Столбовой1, В.В. Мамон 2 1ННЦ “Харьковский физико-технический институт” Украина 2Национальный технический университет “Харьковский политехнический институт” Украина 3 Институт проблем материаловедения им. И.М. Францевича (Киев) Украина Поступила в редакцию 01.03.2010 Проведены исследования влияния толщины слоев и условий получения на фазовый состав, структуру и механические характеристики (твердость и модуль упругости) вакуумно-дуговых многослойных наноструктурных покрытий TiN-Mo2N. Показано, что при малой толщине слоев (≈2 нм) возможен эпитаксиальный рост изоструктурных кубических модификаций нитрида титана и нитрида молибдена без образования двухфазного состояния. При большей толщине происходит формирование двухфазного материала, где в качестве второй фазы выступает изо- структурный к нитриду титана высокотемпературный нитрид молибдена γ-Mo2N с кубической решеткой. Увеличение толщины слоев от 2 до 20 нм повышает термическую стабильность механических свойств таких покрытий к высокотемпературным (800 °С) отжигам. Для всего интервала толщин слоев 2 ÷ 20 нм высокотемпературные отжиги не приводят к изменению фазового состава покрытий, оставляя нитрид молибдена в метастабильном γ-Mo2N состоянии с кубической решеткой. Причиной стимулирования при осаждении и стабилизации при отжиге γ-Mo2N состояния является влияние второй составляющей многослойной системы – нитрида титана (TiN) который имеет высокую энергию связи между металлическими и азотными ато- мами и соответствующий γ-Mo2N тип кристаллической решетки. Ключевые слова: многослойные наноструктурные покрытия, вакуумно-дуговые покрытия, покрытия Ti-Mo-N, нитриды титана, нитриды молибдена. Проведено дослідження впливу товщини шарів і умов одержання на фазовий склад, структуру і механічні характеристики (твердість і модуль пружності) вакуумно-дугових багатошарових наноструктурних покриттів Tі-Mo2N. Показано, що при малій товщині шарів (≈2 нм) можливий эпітаксіальний ріст ізоструктурних кубічних модифікацій нітриду титану й нітриду молібдену без утворення двофазного стану. При більшій товщині відбувається формування двофазного матеріалу, де як друга фаза виступає ізоструктурний до нітриду титану високотемпературний нітрид молібдену γ-Mo2N з кубічними гратками. Збільшення товщини шарів від 2 до 20 нм підвищує термічну стабільність механічних властивостей таких покриттів до високотемпера- турного (800 °С) відпалу. Для всього інтервалу товщини шарів 2 ÷ 20 нм високотемпературні відпали не призводять до зміни фазового складу покриттів, залишаючи нітрид молібдену в метастабільному γ-Mo2N стані з кубічними решітками. Причиною стимулювання при осадженні і стабілізації при відпалі γ-Mo2N стану є вплив другої складової багатошарової системи – нітрид титану (TіN) який має високу енергію зв’язку між металевими й азотними атомами і відповідний γ-Mo2N тип кристалічних граток. Ключові слова: багатошарові наноструктурні покриття, вакуумно-дугові покриття, покриття Tі-Mo-N, нітриди титану, нітриди молібдену. Experiments have been made to investigate the influence of layer thickness and production conditions on the phase composition, structure and mechanical characteristics (hardness and modulus of elasticity) of vacuum-arc multilayer nanostructural coatings TiN-Mo2N. It is shown that at a small layer thickness (≈2 nm) an epitaxial growth of isostructural cubic modifications of titanium nitride and molybdenum nitride is possible without two-phase state formation. At a greater thickness, a two-phase material is formed, where the second phase is presented by high-temperature cubic-lattice molybdenum nitride γ-Mo2N, which is isostructural with respect to titanium nitride. A growth in layer thickness from 2 up to 20 nm increases the thermal stability of mechanical properties of these coatings at high-temperature ФІП ФИП PSE, 2010, т. 8, № 1, vol. 8, No. 1 29 ВВЕДЕНИЕ За последние годы проведено много работ по исследованию вакуумно-дуговых покрытий нитридов титана и молибдена. Обзор этих ис- следований приведен, в частности, в работе [1]. Твердость покрытий Mo-N составляет 32 ÷ 55 ГПа и их нанесение на режущие инстру- менты увеличило стойкость последних в не- сколько раз [1, 2]. Рентгено-фазовый анализ покрытий показал, что нитрид молибдена со- става Mo2N содержит две структурные моди- фикации. Согласно равновесной фазовой ди- аграмме это высокотемпературная γ-Mo2N фаза с кубической решеткой и низкотемпера- турная фаза β-Mo2N с тетрагональной решет- кой [3]. Покрытия TiN, осажденные с приме- нением импульсной имплантации в процессе осаждения также показывают твердость ≥ 40 ГПа и обеспечивают увеличение стойко- сти инструментов и оснастки до 10 раз [4]. Известно, что многослойные покрытия Ti- Mo-N, полученные одновременным испаре- нием катодов титана и молибдена при непре- рывном вращении подложки, при нанесении на режущий инструмент показали увеличение их стойкости в 2 ÷ 4 раза большее, чем по- крытия TiN [5], в особенности, при резании труднообрабатываемых материалов. Поэтому исследование таких многослойных покрытий представляет научный и практический инте- рес. Целью данной работы является исследова- ние свойств многослойных вакуумно-дуго- вых нанокристаллических покрытий Ti-Mo-N, полученных с постоянным и импульсным отрицательными потенциалами подложки в процессе осаждения в зависимости от тол- щины слоев. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ Многослойные двухфазные наноструктурные покрытия TiN-МоN осаждали в вакуумно-ду- говой установке “Булат-6” [6]. В такой уста- новке возможно осаждение TiN-покрытий как методом традиционного вакуумно-дуго- вого осаждения, так и методом плазменной ионной имплантации и осаждения. На рис. 1 показана схема установки для по- лучения необходимых образцов. Вакуумная камера 1 снабжена системой автоматического поддержания давления азота 2 и двумя испа- рителями, один из которых 3 содержит в ка- честве испаряемого материала молибден мар- ки МЧВП, а другой 4 – титан марки ВТ1-0. На поворотном устройстве камеры установ- лен подложкодержатель 5 в виде пластины из нержавеющей стали размером 300×300 мм, в центре которого размещены подложки 6. Подложки представляют собой диски диамет- ром 19 мм и толщиной 3 мм из нержавеющей стали Х18Н9Т. Установка также снабжена источником постоянного напряжения 7, вели- чину которого можно изменять в пределах 5 ÷ 1000 В, а также генератором импульсного напряжения 8 с регулируемой амплитудой импульсов в пределах 0,5 ÷ 2 кВ и частотой следования 0,5 ÷ 7 кГц. annealings (800 °C). For the whole 2 ÷ 20 nm range of layer thicknesses, high-temperature annealings do not cause changes in the phase composition of coatings, leaving molybdenum nitride in the metastable γ-Mo2N state with a cubic lattice. The reason for γ-Mo2N state stimulation at deposition and γ-Mo2N stabilization at annealing lies in the influence of the second constituent of the multilayer system, viz., titanium nitride (TiN), which has a high binding energy between metal and nitrogen atoms, and also, has the type of the crystal lattice corresponding to γ-Mo2N. Keywords: nanostructural coatings, vacuum-arc coatings, coatings Ti-Mo-N, molybdenum nitride, titanium nitride. Рис. 1. Схема установки для нанесения многослойных покрытий. 1 – вакуумная камера; 2 – система автомати- ческого поддержания давления азота; 3 – испаритель молибдена; 4 – испаритель титана; 5 – подложкодержа- тель; 6 – подложка; 7 – источник постоянного напряже- ния; 8 – генератор импульсного напряжения. А.А. АНДРЕЕВ, О.В. СОБОЛЬ, В.Ф. ГОРБАНЬ, В.А. СТОЛБОВОЙ, В.В. МАМОН ФІП ФИП PSE, 2010, т. 8, № 1, vol. 8, No. 130 Процедура осаждения многослойных двухфазных покрытий включала следующие операции. Вакуумную камеру откачивали до давления 1,33⋅10–3 Па. Затем на поворотное устройство с подложкодержателем подавали отрицательный потенциал 1 кВ, включали ис- паритель 3 и производили очистку поверхно- сти первой из двух подложек бомбардировкой ионами молибдена в течение 3 ÷ 5 мин. После этого подложкодержатель поворачивали на 180° и производили такую же очистку второй подложки. Далее, включали одновременно оба испарителя, подавали в камеру азот и оса- ждали первый слой, с одной стороны нитрид молибдена, а с противоположной – нитрид титана. Процесс осаждения осуществлялся при следующих технологических условиях. Пос- ле осаждения первого слоя (в данном случае 10 или 20 с) оба испарителя отключали, по- ворачивали подложкодержатель на 180° и снова одновременно включали оба испарите- ля. Таким образом, осаждение слоев в тече- ние 10 и 20 с производили на неподвижную подложку. Осаждение слоя в течение 3 с производили на вращающуюся подложку (12 об/мин). Перед каждым испарителем под- ложка экспонировалась в течение 3 с, пово- рачиваясь при этом на 180°. При средней ско- рости осаждения около 1 нм/с этот режим со- ответствовал толщине одного слоя около 2нм. Ток дуги в процессе осаждения составлял 85 ÷ 90 A, давление азота в камере 0,665 Па, рас- стояние от испарителя до подложки – 250 мм, температура подложки была в интервале 250 ÷ 350 °C. При времени осаждения 10 и 20 секунд одна пара из двух нанослоев TiN-МоN имела толщину около 20 или 40 нм, при этом толщина каждого из нанослоев составляла соответственно около 10 или 20 нм. В процес- се осаждения покрытий на подложку пода- вали импульсы отрицательного потенциала длительностью 10 мкс с частотой следова- ния 7 кГц и амплитудой 2 кВ, а также посто- янный отрицательный потенциал 5 ÷ 400 В. Отжиг образцов с покрытиями производи- ли в вакуумной печи при давлении остаточ- ных газов 0,0013 Па и температуре 800 °C в течение 2 ч после достижения этой темпера- туры. Микрофрактографии покрытий, подверг- нутых разрушению изгибом с высокой скоро- стью нагружения при комнатной темпера- туре, исследовались на растровом электрон- ном микроскопе (РЭМ) JEOL JSM-840. Для их получения покрытия осаждали на медной подложке толщиной 0,2 мм. Автоматическое микроиндентирование проводили с помощью индентора “Микрон- Гамма” с пирамидой Берковича при нагрузке в пределах 20 г. Рентгендифракционные исследования об- разцов осуществлялись на дифрактометре ДРОН-3 в излучении Cu-Kα при регистрации рассеяния в дискретном режиме съемки с ша- гом сканирования, изменяющимся в интер- вале ∆(2ϑ ) = 0,01 ÷ 0,05° в зависимости от полуширины и интенсивности дифракцион- ных линий. Время экспозиции в точке сос- тавляло 20 ÷ 100 с. Выделение дифракцион- ных профилей в случае их наложения осу- ществлялось по программе разделения накла- дывающихся линий “New_profile” разработ- ки НТУ “ХПИ”. Объемная доля фаз в пленке рассчитывалась по стандартной методике, учитывающей интегральную интенсивность и отражательную способность нескольких линий каждой из фаз. Анализ фазового сос- тава проводился с использованием картотеки ASTM. Степень совершенства текстуры (∆ψ) оп- ределялась по ширине на полувысоте диф- ракционной линии снятой при ψ – сканиро- вании. Макронапряженнное состояние в ион- но-плазменных конденсатах изучалость по смещению дифракционных пиков при пер- пендикулярной съемке до и после 2 часового отжига при температуре 800 °С. Концентрацию элементов определяли по вторичным (флуоресцентным) спектрам ис- пускания (рентгенофлуоресцентный анализ – РФА). РФА-исследования проводились на спектрометре СПРУТ (Украина, Держстан- дарт України № У703-96). В качестве пер- вичного возбуждающего излучения исполь- зовалось излучение рентгеновской трубки прострельного типа с Ag анодом при возбуж- дающем напряжении 42 кВ. ИССЛЕДОВАНИЕ ФАЗОВОГО СОСТАВА, СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ МНОГОСЛОЙНЫХ ВАКУУМНО-ДУГОВЫХ ... ФІП ФИП PSE, 2010, т. 8, № 1, vol. 8, No. 1 31 РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Средняя толщина покрытий, определенная по растровым микроскопическим изображе- ниям изломов покрытий составляла 6 – 8 мкм (табл. 1). Соотношение по массе попадающих в по- крытие Ti и Mo атомов 49 ÷ 44 мас.% Ti/51 ÷ 56 мас.% Mo. Это соответствует атомному соотношению Ti/Mo для образцов с малой и средней толщи- ной слоев 2 – 10 нм Ti/Mo ≈ 60/40, а для боль- шого времени нанесения слоя 20 с (толщина слоев ≈20 нм) это соотношение смещается к Ti/Mo ≈70/30. Таким образом, в предположении равного времени испарения титана и молибдена в покрытии титана больше, чем молибдена. При этом можно отметить, что при отжиге в вакууме (2часа, 800 °С) изменений в фазо- вом составе не отмечено. Структурное состояние и механические свойства полученных покрытий удобно рас- смотреть сгруппировав их в зависимости от толщины слоев в три различные серии. 1-я серия: толщина слоя TiN около 2 нм. В этом случае при потенциале подложки – 40 В вследствие предполагаемого эпитаксиа- льного роста слоев рентгенофазовый анализ показывает содержание только одной фазы с кубической ГЦК решеткой (структурный тип NaCl) (рис. 2), что характерно при низкой температуре для TiN. При этом чередование металлических Ti и Mo испарителей при рас- пылении в азотной среде должно приводить к TiN и MoN послойному формированию со- отношением толщин близким к атомному со- отношению металлических атомов, которое по данным элементного анализа соответст- вует соотношению Ti/Мо равному 60/40. От- сутствие выявляемости при этом межфазной границы свидетельствует об эпитаксиальном росте тонких слоев в этом случае, период ре- шетки которых определяется более сильными связями в слое нитрида титана. Период Mo2N а) б) Рис. 2. Сравнительные спектры дифракционных пиков для двух порядков отражения от плоскости текстуры: (200) – а) и (400) – б) до (1) и после (2) отжига. (Образец 4). А.А. АНДРЕЕВ, О.В. СОБОЛЬ, В.Ф. ГОРБАНЬ, В.А. СТОЛБОВОЙ, В.В. МАМОН Таблица 1 Параметры получения покрытий, их механические характеристики, толщина, фазовый состав и структурное состояние. PN = 0,665 Па, Uпи = 2000 В, f = 7 кГц обра- зец Uпп, В Время, с Н, ГПа Е, ГПа исх. отжиг исх. отжиг Соотношение TiN/Mo2N, об.% Текстура σTiN (σMo2N), ГПа а0, нм Толщина покрытия, мкм 1 –230 2 47 38 470 370 90/10 (111) –3,9 0,42618 6,7 2 –230 10 26 24 370 355 60/40 (111) –6,9 0,42378 7,2 3 –230 20 39 31 440 380 80/20 (111) –2,63 0,42517 7,0 4 –40 2 31 24 380 370 TiN-100 (200) –1,5 0,4248 8,0 5 –40 10 42 30 430 430 60/40 (200) –5,7 (–3,9) 0,4242 γ-Mo2N- 0,4169 6,7 6 –40 20 40 37 480 480 80/20 (200) –13 0,4251 8,6 ФІП ФИП PSE, 2010, т. 8, № 1, vol. 8, No. 132 кубической решетки составляет 0,419 нм т.е. меньший, чем TiN, что способствует при эпитаксиальном росте релаксации напряже- ний сжатия в TiN слоях и сопровождается уменьшением периода в ненапряженном сечении до 0,4248 нм (образец 4). При потенциале подложки –230 В рент- генофазовый анализ показывает образование двухфазного материала с однотипной крис- таллической решеткой (ГЦК типа NaCl) TiN и высокотемпературной γ-Mo2N фаз с соот- ношением фаз TiN/Mo2N равным 90/10. При- чиной появления двухфазного состояния в этом случае является интенсивная ионная бомбардировка, которая способствует из- мельчению зерен и начинают образовываться межфазные границы. При этом образование в качестве отдельных слоев Mo2N с кубичес- кой решеткой, и соответственно образование межфазной границы приводит к росту напря- жений в TiN фазе и увеличению периода в ненапряженном сечении (образец 1). При этом с увеличением потенциала под- ложки происходит изменение текстуры фор- мируемого покрытия от текстуры с осью [100] к [111], что сопровождается повышением твердости. Исходя из изоструктурности кубических составляющих фаз при их полной эпитаксии, когда нет ярко выраженной межфазной гра- ницы, а соответственно на дифракционных спектрах проявляется спектр характерный для однофазного состояния (см. рис. 2), мате- риал упрочняется относительно несильно, что проявляется в невысокой твердости таких покрытий и их падению при отжиге (образец 4). При появлении второй фазы в этом случае (образец 1) твердость материала увеличи- вается, как увеличивается и его термостаби- льность (см. табл. 1). При этом, как показано на растровых мик- роскопических снимках (рис. 3) ячейки на по- верхности покрытий выражены более ре- льефно при потенциале – 230 В, что можно объяснить процессами их распыления иона- ми молибдена и титана во время осаждения [7]. В обоих случаях структура покрытий яв- ляется столбчатой. 2-я серия: толщина слоя около 10 нм. Для второй серии образцов с большей тол- щиной составляющих слоев характерно уже в процессе осаждения формирование двух- фазного структурного состояния со средним содержанием TiN и γ-Mo2N кубических фаз как 60 об.% – 40 об.%, что близко к резуль- татам данных рентгенфлуоресцентного эле- ментного анализа атомных % составляющих металлических атомов. Появление значительного удельного объе- ма межфазных границ из-за высокого содер- жания второй γ-Mo2N-фазы (рис. 4) сопро- вождается развитием высоких сжимающих напряжений в нитриде титана и достижением достаточно высокой твердости 42 ÷ 44 ГПа при относительно высоком модуле упругости 430 ÷ 450 ГПа (табл. 1). Исключение состав- ляет образец, полученный при потенциале подложки –230 В, твердость которого отно- а) б) Рис. 3. Микрофрактограммы изломов многослойного покрытия TiN-Mo2N, осажденного на медную подлож- ку, при потенциалах подложки –230 В (образец 1) – а) и –40 В (образец 4) – б). ИССЛЕДОВАНИЕ ФАЗОВОГО СОСТАВА, СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ МНОГОСЛОЙНЫХ ВАКУУМНО-ДУГОВЫХ ... ФІП ФИП PSE, 2010, т. 8, № 1, vol. 8, No. 1 33 сительно низка. Наиболее вероятной при- чиной такой относительно невысокой твер- дости, по-видимому, может быть недостаток азотных атомов в покрытии по сравнению со стехиометрическим составом, о чем можно судить по уменьшению периода решетки нит- рида титана, который составляет 0,42378 нм (табличное значение для стехиометрического состава 0,42417 нм). Обращает на себя внимание то, что в слоях нитрида молибдена присутствует только фаза γ-Mo2N и отсутствует фаза β-Mo2N, хотя обе эти фазы присутствуют в вакуумно-дуговых монослойных покрытиях [3]. Это можно объяснить двухстадийностью формирования фазового состава многослойной TiN/Mo2N системы, когда в начальный момент роста Mo2N слоя определяющим зарождение яв- ляется атомная последовательность базисной TiN решетки. Таким образом, происходит ста- билизация кубической модификации γ-Mo2N при росте слоя нитрида молибдена, которая при достижении относительно большой тол- щины вследствие действия структурных мак- ронапряжений, сопровождается сбросом мак- родеформации и образованием межфазной границы. Также необходимо отметить, что для этой серии характерна более однородная морфо- логия поверхности покрытия, однако при по- тенциале подложки –230 В ячейки более крупные, чем при –40 В (рис. 5). При этом образуемые сколы имеют достаточно прави- льную форму, характерную для разрушения материала, находящегося под действием на- пряжений сжатия. 3-я серия: толщина слоя TiN 20 нм. Об- разцы с наиболее толстыми чередующимися TiN и Mo2N слоями, полученные по режимам Рис. 4. Разделение дифракционных спектров на сос- тавляющие пики от двух фаз (111) TiN и (111) γ-Mo2N (образец 2): 1 – точки исходного массива данных; 2 – аппроксимирующая кривая; 3 – выделенный пик (111) TiN; 4 – выделенный пик (111) γ-Mo2N; 5 – кри- вая невязки [8]. а) б) Рис. 5. Микрофрактограммы изломов многослойного покрытия TiN-Mo2N, осажденного на медную подлож- ку, при потенциалах подложки –230 В (образец 2) – а) и –40 В (образец 5) – б). А.А. АНДРЕЕВ, О.В. СОБОЛЬ, В.Ф. ГОРБАНЬ, В.А. СТОЛБОВОЙ, В.В. МАМОН ФІП ФИП PSE, 2010, т. 8, № 1, vol. 8, No. 134 3-й серии, также являются двухфазными (рис. 6), однако объемное содержание фазы нитрида молибдена до отжига (20%, табл. 1, рис. 6а) несколько ниже в сравнении с данны- ми, ожидаемыми по результатам элементно- го рентгенфлуоресцентного анализа (30%). В тоже время после отжига объемное содер- жание фаз достаточно точно соответствует ожидаемому по данным элементного анализа 70%TiN – 30%Mo2N. Такой факт можно объяснить появлением для покрытий 3-й серии более размытой меж- фазной границой, которая усиливает вклад в дифракционный эффект фазы с большим объемным содержанием, в данном случае фазы нитрида титана. Из-за размытой грани- цы в этом случае соответствие фазового сос- тава элементному, проявляется после отжига, ког-да в значительной степени уменьшается удельный вклад границ, в результате перехода материала приграничной области из аморф- ноподобного в кристаллическое состояние. Следует также отметить, что для этой се- рии образцов характерна меньшая зависи- мость твердости от величины Uпп. При изме- нении Uпп от –40 до –230 В твердость изме- няется всего от 40 до 39 ГПа и, таким обра- зом, в обоих случаях такие образцы можно считать сверхтвердыми. ВЫВОДЫ При малой толщине слоев ≈2 нм возможен эпитаксиальный рост изоструктурных куби- ческих модификаций нитрида титана и нит- рида молибдена без образования двухфазного состояния. Увеличение толщины слоев многослойной системы от 3 нм до 20 нм приводит к повы- шению термической стабильности механи- ческих свойств таких покрытий, что прояв- ляется в меньшем понижении твердости по- крытий, подвергнутых высокотемпературно- му отжигу. При большей толщине слоев 10 ÷ 20 нм происходит формирование двухфазного ма- териала, где в качестве второй фазы высту- пает изоструктурный к нитриду титана высо- котемпературный нитрид молибдена γ-Mo2N с кубической решеткой. ЛИТЕРАТУРА 1. Андреев А.А., Саблев Л.П., Шулаев В.М., Григорьев С.Н. Вакуумно-дуговые устройст- ва и покрытия. – Харьков: ННЦ “ХФТИ”, 2005. – 240 с. 2. Kazmanli M.K., Urgen M., Cakir A.F. Effect of nitrogen pressure, bias voltage and substrate tem- perature on the phase structure of Mo-N coatings produced by cathodic arc PVD//Surface and Coatings Technology. – 2003. – Vol. 167. – P 77–82. а) б) Рис. 6. Разделение дифракционных спектров на составляющие пики от двух фаз (111) TiN и (111) γ-Mo2N (образец 3) до отжига – а) и после отжига – б). 1 – выделенный пик (111) TiN; 2 – выделенный пик (111) γ-Mo2N. Остальные кривые подобно рис. 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ФАЗОВОГО СОСТАВА, СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ МНОГОСЛОЙНЫХ ВАКУУМНО-ДУГОВЫХ ... ФІП ФИП PSE, 2010, т. 8, № 1, vol. 8, No. 1 35 3. Шулаев В.М., Соболь О.В., Андреев А.А., Неклюдов И.М., Столбовой В.А. Фазовый состав нанокристаллических покрытий Mo2N, полученных вакуумно-дуговым осаж- дением молибдена в среде азота//ВАНТ, сер. Вакуум, чистые материалы и сверхпроводни- ки. – 2009. – № 6.– C. 262–267. 4. Андреев А.А., Шулаев В.М., Горбань В.Ф., Столбовой В.А. Осаждение сверхтвердых вакуумно-дуговых TiN покрытий//Физичес- кая инженерия поверхности. – 2006. – T. 4, № 3-4. – С. 201–206. 5. Падалка В.Г., Гутник Г.Н., Андреев А.А. и др. Опыт эксплуатации и повышение эффектив- ности использования установок “Булат”. Препр. НАН Украины, Нац. научн. центр “Харьк. физ-тех. ин-т”, 1986-1. – М.: ЦНИИ- атоминформ, 1986. – 56 с.  Андреев А.А., Соболь О.В., Горбань В.Ф., Столбовой В.А., Мамон В.В., 2010 6. Шулаев В.М., Андреев А.А., Руденко В.П. Модернизация серийной установки “Булат-6” для синтеза вакуумно-дуговых покрытий ме- тодом плазменной ионной имплантации и осаждения, а также ионного безводородного азотирования//Сб. докл. Межд. конф. “Нано- технологии”. Харьков: ННЦ “ХФТИ”. – 2008. – T. 1. – C. 5-14. 7. Шулаев В.М., Андреев А.А. О возможном ме- ханизме возникновения ячеистого микроре- льефа на поверхности наноструктурных ва- куумно-дуговых покрытий (Харьков)//Сб. научн. трудов Межд. конф. ФММН-2009. – 2009. – C. 587-589. 8. Решетняк М.В., Соболь О.В. Расширение воз- можностей анализа структуры и субструктур- ных характеристик нанокристаллических конденсированных и массивных материалов квазибинарной системы W2B5-TiB2 при ис- пользовании программы обработки рентген- дифракционных данных “New_profile”//Фи- зическая инженерия поверхности. – 2008. – Т. 6, № 3-4. – С. 180-188. А.А. АНДРЕЕВ, О.В. СОБОЛЬ, В.Ф. ГОРБАНЬ, В.А. СТОЛБОВОЙ, В.В. МАМОН
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-98842
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	1999-8074
language	Russian
last_indexed	2025-11-30T16:31:30Z
publishDate	2010
publisher	Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
record_format	dspace
spelling	Андреев, А.А. Соболь, О.В. Горбань, В.Ф. Столбовой, В.А. Мамон, В.В. 2016-04-18T16:07:26Z 2016-04-18T16:07:26Z 2010 Исследование фазового состава, структуры и свойств многослойных вакуумно-дуговых нанокристаллических покрытий Ti-Mo-N / А.А. Андреев, О.В. Соболь, В.Ф. Горбань, В.А. Столбовой, В.В. Мамон // Физическая инженерия поверхности. — 2010. — Т. 8, № 1. — С. 28–35. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 1999-8074 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/98842 621.793.7 Проведено дослідження впливу товщини шарів і умов одержання на фазовий склад, структуру і механічні характеристики (твердість і модуль пружності) вакуумно-дугових багатошарових наноструктурних покриттів Tі-Mo₂N. Показано, що при малій товщині шарів (≈2 нм) можливий эпітаксіальний ріст ізоструктурних кубічних модифікацій нітриду титану й нітриду молібдену без утворення двофазного стану. При більшій товщині відбувається формування двофазного матеріалу, де як друга фаза виступає ізоструктурний до нітриду титану високотемпературний нітрид молібдену γ-Mo₂N з кубічними гратками. Збільшення товщини шарів від 2 до 20 нм підвищує термічну стабільність механічних властивостей таких покриттів до високотемпературного (800 °С) відпалу. Для всього інтервалу товщини шарів 2 ÷ 20 нм високотемпературні відпали не призводять до зміни фазового складу покриттів, залишаючи нітрид молібдену в метастабільному γ-Mo₂N станіз кубічними решітками. Причиною стимулювання при осадженні і стабілізації при відпалі γ-Mo₂N стану є вплив другої складової багатошарової системи – нітрид титану (TіN) який має високу енергію зв’язку між металевими й азотними атомами і відповідний γ-Mo₂N тип кристалічних граток. Experiments have been made to investigate the influence of layer thickness and production conditions on the phase composition, structure and mechanical characteristics (hardness and modulus of elasticity) of vacuum-arc multilayer nanostructural coatings TiN-Mo₂N. It is shown that at a small layer thickness (≈2 nm) an epitaxial growth of isostructural cubic modifications of titanium nitride and molybdenum nitride is possible without two-phase state formation. At a greater thickness, a two-phase material is formed, where the second phase is presented by high-temperature cubic-lattice molybdenum nitride γ-Mo₂N, which is isostructural with respect to titanium nitride. A growth in layer thickness from 2 up to 20 nm increases the thermal stability of mechanical properties of these coatings at high-temperature. Experiments have been made to investigate the influence of layer thickness and production conditions on the phase composition, structure and mechanical characteristics (hardness and modulus of elasticity) of vacuum-arc multilayer nanostructural coatings TiN-Mo₂N. It is shown that at a small layer thickness (≈2 nm) an epitaxial growth of isostructural cubic modifications of titanium nitride and molybdenum nitride is possible without two-phase state formation. At a greater thickness, a two-phase material is formed, where the second phase is presented by high-temperature cubic-lattice molybdenum nitride γ-Mo₂N, which is isostructural with respect to titanium nitride. A growth in layer thickness from 2 up to 20 nm increases the thermal stability of mechanical properties of these coatings at high-temperature. annealings (800 °C). For the whole 2 ÷ 20 nm range of layer thicknesses, high-temperature annealings do not cause changes in the phase composition of coatings, leaving molybdenum nitride in the metastable γ-Mo₂N state with a cubic lattice. The reason for γ-Mo₂N state stimulation at deposition and γ-Mo₂N stabilization at annealing lies in the influence of the second constituent of the multilayer system, viz., titanium nitride (TiN), which has a high binding energy between metal and nitrogen atoms, and also, has the type of the crystal lattice corresponding to γ-Mo₂N ru Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України Физическая инженерия поверхности Исследование фазового состава, структуры и свойств многослойных вакуумно-дуговых нанокристаллических покрытий Ti-Mo-N Article published earlier
spellingShingle	Исследование фазового состава, структуры и свойств многослойных вакуумно-дуговых нанокристаллических покрытий Ti-Mo-N Андреев, А.А. Соболь, О.В. Горбань, В.Ф. Столбовой, В.А. Мамон, В.В.
title	Исследование фазового состава, структуры и свойств многослойных вакуумно-дуговых нанокристаллических покрытий Ti-Mo-N
title_full	Исследование фазового состава, структуры и свойств многослойных вакуумно-дуговых нанокристаллических покрытий Ti-Mo-N
title_fullStr	Исследование фазового состава, структуры и свойств многослойных вакуумно-дуговых нанокристаллических покрытий Ti-Mo-N
title_full_unstemmed	Исследование фазового состава, структуры и свойств многослойных вакуумно-дуговых нанокристаллических покрытий Ti-Mo-N
title_short	Исследование фазового состава, структуры и свойств многослойных вакуумно-дуговых нанокристаллических покрытий Ti-Mo-N
title_sort	исследование фазового состава, структуры и свойств многослойных вакуумно-дуговых нанокристаллических покрытий ti-mo-n
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/98842
work_keys_str_mv	AT andreevaa issledovaniefazovogosostavastrukturyisvoistvmnogosloinyhvakuumnodugovyhnanokristalličeskihpokrytiitimon AT sobolʹov issledovaniefazovogosostavastrukturyisvoistvmnogosloinyhvakuumnodugovyhnanokristalličeskihpokrytiitimon AT gorbanʹvf issledovaniefazovogosostavastrukturyisvoistvmnogosloinyhvakuumnodugovyhnanokristalličeskihpokrytiitimon AT stolbovoiva issledovaniefazovogosostavastrukturyisvoistvmnogosloinyhvakuumnodugovyhnanokristalličeskihpokrytiitimon AT mamonvv issledovaniefazovogosostavastrukturyisvoistvmnogosloinyhvakuumnodugovyhnanokristalličeskihpokrytiitimon

Исследование фазового состава, структуры и свойств многослойных вакуумно-дуговых нанокристаллических покрытий Ti-Mo-N

Institution

Similar Items