Search

Layers based on titanium nitride doped with molybdenum and silicon were used to create a multilayer composite. In this case, the mismatch between the lattice periods of (TiMo)N and (TiSi)N layers was about 1%. It was found that in the (TiMo)N/(TiSi)N multilayer composite, such a mismatch of the periods in the constituent layers does not change the single-phase state of the composite even at relatively large layer thicknesses (about 350 nm). The creation of a (TiMo)N/(TiSi)N composite with a nanometer layer thickness allows one to reduce the magnitude of macrostresses (a large value of which is characteristic of single-layer (TiMo)N coatings) and change the substructural characteristics in a wide range of values. It has been established that the use of multi-element (TiMo)N and (TiSi)N layers in a multilayer coating design allows one to achieve a high-hard state with high adhesive strength and good tribological characteristics. The highest properties (hardness – 34.8 GPa and adhesive strength 166.09 N) were achieved in coatings obtained at Ub = -200 V and a layer thickness of 80 nm, which are characterized by compression macrostresses of 7.85 GPa and microstrains 0.75%. Для створення багатошарового композиту використані шари на основі нітриду титану, легованого молібденом і кремнієм. При цьому невідповідність періодів решіток (TiMo)N- і (TiSi)N-шарів становила близько 1%. Встановлено, що в багатошаровому композиті (TiMo)N/(TiSi)N така невідповідність періодів у складових шарах не змінює однофазного стану композиту навіть при відносно великих товщинах шарів (близько 350 нм). Створення (TiMo)N/(TiSi)N-композиту з нанометровою товщиною шарів дозволяє зменшити величину макронапружень (більша величина яких властива одношаровим (TiMo)N-покриттям) і в широкому інтервалі значень змінювати субструктурні характеристики. Встановлено, що використання багатоелементних (TiMo)N- і (TiSi)N-шарів при багатошаровому дизайні покриттів дозволяє досягти високотвердого стану з високою адгезійною міцністю і гарними трибологічними характеристиками. Найбільш високі властивості (твердість – 34,8 ГПа і адгезійна міцність – 166,09 Н) були досягнуті в покриттях, отриманих при Ub = -200 В і товщині шару 80 нм, для яких характерна величина макронапружень стиску 7,85 ГПа і мікродеформації – 0,75%.

The influence of deposition modes on the phase-structural state, corrosion resistance, and adhesive strength of vacuum-arc multi-period NbN/Cu coatings is studied. It was found that in thin layers (about 8 nm, in a constant rotation mode), regardless of the change in the pressure of the nitrogen atmosphere, a metastable δ - NbN phase forms (cubic crystal lattice of the NaCl type). At a layer thickness of ~ 40 nm or more, a phase composition changes from the metastable δ - NbN to the equilibrium ε - NbN phase with a hexagonal crystal lattice. In the presence of the ε - NbN phase in the niobium nitride layers, the highest adhesive strength is achieved with a value of LС5 = 96.5 N. Corrosion resistance tests have shown that for all the studied samples the corrosion process has mainly an anodic reaction. The highest corrosion resistance was shown by coatings obtained at a pressure of 7·10-4 Torr, with the smallest bias potential of -50 V and the smallest layer thickness; with a thickness of such a coating of about 10 microns, its service life in the environment of the formation of chloride ions is about a year.

The properties of multi-period nanocomposite coatings based on chromium nitride are considered. The effect of the negative bias potential on the phase-structural state and mechanical characteristics of the coatings was investigated by X-ray diffractometry combined with the study of hardness by nanoindentation, surface roughness and coefficient of friction during scratch testing. It has been established that all the systems are characterized by the formation of a cubic crystal lattice of the structural type NaCl, as well as the effect of texture on hardness values. For the studied coatings, the hardness is in the range of 20-25 GPa. The presence of texture [311] in CrN/MoN nanocomposite coatings leads to the lowest friction coefficient with a value of about 0.2. Розглянуто властивості багатоперіодних нанокомпозитних покриттів на основі нітриду хрому. Вплив негативного потенціалу зміщення на фазово-структурний стан та механічні характеристики покриттів досліджували методом рентгенівської дифрактометрії у поєднанні з дослідженням твердості за допомогою наноіндентування, шорсткості поверхні та коефіцієнта тертя під час тестування на подряпини. Встановлено, що для всіх систем характерне формування кубічної кристалічної решітки структурного типу NaCl, а також вплив текстури на значення твердості. Для досліджуваних покриттів твердість знаходиться в межах 20-25 ГПа. Наявність текстури [311] у нанокомпозитних покриттях CrN/MoN призводить до найнижчого коефіцієнта тертя зі значенням близько 0,2.

The effect of nitrogen pressure during the deposition of vacuum-arc (TiZrNbVHf)N and (TiZrNbVHfTa)N coatings on their phase-structural state, substructure and resistance to abrasive wear was investigated. It was established that in multi-element (based on high-entropy alloys) (TiZrNbVHf)N and (TiZrNbVHfTa)N coatings obtained in a nitrogen atmosphere in the range of nitrogen pressures PN = 2.5 ·10-4-4.5 ·10-3 Torr, a single-phase state is formed (based on cubic crystal lattice of structural type NaCl). The use of a multi-element composition with a single-phase state with a cubic lattice allows for (Ti-V-Zr-Nb-Hf-Ta)N coatings to achieve high microstrain values (up to 1.2 %) at low deposition pressure. It was found that high-entropy nitride coatings with low abrasive wear are characterized by a crystallite grain size of less than 50 nm, the absence or low level of texture perfection [111], and the presence of a rather high microstrain in crystallites (reaching 1.2 %). The reasons for the observed changes in the structural state and substructure of multi-element nitride coatings and their effect on abrasive resistance are discussed. Досліджено вплив тиску азоту під час нанесення вакуумно-дугових (TiZrNbVHf)N та (TiZrNbVHfTa)N покриттів на їх фазово-структурний стан, субструктуру та стійкість до абразивного зношування. Встановлено, що в багатоелементних (на основі високоентропійних сплавів) (TiZrNbVHf)N і (TiZrNbVHfTa)N покриттях, отриманих в атмосфері азоту в діапазоні тисків азоту PN = 2,5 ·10-4-4,5 ·10-3 Торр утворюється однофазний стан (на основі кубічної кристалічної решітки структурного типу NaCl). Застосування багатоелементної композиції з однофазним станом з кубічною ґраткою дозволяє досягти високих значень мікродеформацій (до 1,2 %) покриттів (Ti-V-Zr-Nb-Hf-Ta)N при низькому тиску осадження. Встановлено, що високоентропійні нітридні покриття з низьким абразивним зношуванням характеризуються розміром зерна кристаліту менше 50 нм, відсутністю або низьким рівнем досконалості текстури [111], а також наявністю досить високої мікродеформації в кристалітах (досягає 1,2 %). Обговорено причини спостережуваних змін у структурному стані та субструктурі багатоелементних нітридних покриттів та їх вплив на абразивну стійкість.

The influence of the pressure of a mixed gaseous atmosphere (80%C2H2+20%N2) and the supply of a high-voltage negative potential in a pulsed form on the elemental and phase composition, structure and physico-mechanical characteristics of the vacuum-arc molybdenum-based coatings. It is shown that in the temperature deposition range 400…550 °С as a result of plasma-chemical reactions, the maximum nitrogen atoms content in the coating does not exceed 1.5 at.%. It is found, that at the maximum pressure of РC2H2+N2= 2.3∙10-1 Pа when the γ-MoC phase is formed, an superhard state of 50.5 GPa (at a constant potential -200 V, without additional high-voltage pulse action) and 51.1 GPa (at a constant potential -200 V, with additional high-voltage pulse action) is reached. Для вакуумно-дугових покриттів на основі молібдену досліджено вплив тиску змішаної газової атмосфери (80%C2H2+20%N2) і високовольтного негативного потенціалу (подається на підкладку в імпульсної формі) на елементний і фазовий склад, структуру і фізико-механічні характеристики формованого матеріалу. Показано, що в температурному інтервалі підкладки при осадженні 400…550 °С в результаті плазмохімічних реакцій максимальний вміст атомів азоту в покритті не перевищує 1,5 ат.%. Виявлено, що при найбільшому тиску РC2H2+N2 = 2,3∙10-1 Па, коли формується фаза γ-MoC, досягається надтверде стан 50,5 ГПа (при постійному потенціалі -200 В, без додаткового високовольтного імпульсного потенціалу) і 51,1 ГПа (при постійному потенціалі -200 В, з додатковим високовольтним імпульсним потенціалом).

It is proposed to use the multiperiod binanolayer composites (TiAlSi)N/MeN (Me-Zr, Nb, Cr, Mo) for controlling the structure, stress state and mechanical properties of a multi-element nitride (TiAlSi)N. The deposition of the layers was carried out by the method of vacuum-arc evaporation at different bias potentials on the substrate Uₕ = -110 and -200 V. It has been determined that mononitrides with a high Me-N binding energy in the binanolayer composite determine the crystallite growth in thin (nanometer) layers. The growth texture is formed in composites containing mononitrides based on transition metals with a relatively small atomic mass (Cr, Mo) at Uₕ = -110 V. The growth texture is formed at a larger Ub = -200 V when dealing with mononitride based on heavy metal (Zr). The greatest hardness is achieved in textured materials deposited at Uₕ = -200 V. This is typical both for a monolayer multi-element nitride (TiAlSi)N (hardness is 42.5 GPa) and for multiperiod nanolayer composites based on it (the highest hardness is 47.9 GPa for a composite (TiAlSi)N/ZrN). Запропоновано використовувати багатоперіодні бінаношарові композити систем (TiAlSi)N/MeN (Me – Zr, Nb, Cr, Mo) для управління структурою, напруженим станом і механічними властивостями багатоелементного нітриду (TiAlSi)N. Осадження шарів здійснювалося методом вакуумно-дугового випаровування при різних потенціалах зміщення на підкладці Uₕ = -110 і -200 В. Встановлено, що в бінаношаровому композиті мононітриди з великою енергією зв'язку Me–N задають переважну орієнтацію росту кристалітів у тонких (нанометрових) шарах. При Uₕ = -110 В текстура зростання формується в композитах, які містять мононітриди на основі перехідних металів з відносно невеликою атомною масою (Cr, Mo). У разі мононітриду на основі важкого металу (Zr) текстура утворюється при більшому Uₕ = -200 В. Найбільша твердість досягається в текстурованих матеріалах, осаджених при Uₕ = -200 В. Це характерно, як для моношарового багатоелементного нітриду (TiAlSi)N (досягнута твердість 42,5 ГПа), так і для багатоперіодних наношарових композитів на його основі (найбільша твердість 47,9 ГПа отримана для композиту (TiAlSi)N/ZrN). Предложено использовать многопериодные бинанослойные композиты систем (TiAlSi)N/MeN (Me – Zr, Nb, Cr, Mo) для управления структурой, напряженным состоянием и механическими свойствами многоэлементного нитрида (TiAlSi)N. Осаждение слоев осуществлялось методом вакуумно-дугового испарения при разных потенциалах смещения на подложке Uₕ = -110 и -200 В. Установлено, что в бинанослойном композите мононитриды с большой энергией связи Me–N задают преимущественную ориентацию роста кристаллитов в тонких (нанометровых) слоях. При Uₕ = -110 В текстура роста формируется в композитах, содержащих мононитриды на основе переходных металлов с относительно небольшой атомной массой (Cr, Mo). В случае мононитрида на основе тяжелого металла (Zr) текстура образуется при большем Uₕ = -200 В. Наибольшая твердость достигается в текстурированных материалах, осажденных при Uₕ = -200 В. Это характерно как для монослойного многоэлементного нитрида (TiAlSi)N (достигнута твердость 42,5 ГПа), так и для многопериодных нанослойных композитов на его основе (наибольшая твердость 47,9 ГПа получена для композита (TiAlSi)N/ZrN).

This paper reports results of studying the element and phase compositions of electron-beam coatings based on the high-entropy alloy AlTiVCrNbMo, depending on the deposition temperature (in the range of 300...700 °С). The high-entropy alloys were melted in an arc furnace in an atmosphere of high-purity argon. Vacuum condensates of the high-entropy alloy (AlTiVCrNbMo) with a thickness of 3–5 µm were obtained in the vacuum setup UVN-2M-1 at a working vacuum of 5·10-5 mТоrr. The alloy evaporation was performed from the water-cooled ingot mold using an electron-beam gun with a power of 5 kW. Condensation of vapors of all the elements of the alloy was performed onto copper substrates at temperatures of 300, 500, 700 °C. Based on analysis of the element composition of materials of the target made of the high-entropy six-element alloy AlTiVCrNbMo and electron-beam coatings, based on it, we established the critical parameter (specific heat of vaporization of an element) that defined a selective change in the element composition. In accordance with a characteristic change in the composition of coatings of the multi-element high-entropy alloy, 3 groups of elements were distinguished: with a specific heat of evaporation of 280...350 kJ/mol (group 1), 420…460 kJ/mol (group 2), and 590…680 kJ/mol (group 3). It was shown that the formation of a single-phase coating of the high-entropy alloy (based on BCC of the crystalline lattice) occurs at the higher deposition temperature of 500...700 °C when the coating consists of not less than 5 elements. It was established that based on the conditions for an electron-beam process of materials formation, the results obtained can be divided into two types: those determined by the condition of evaporation of the target and those determined by the conditions of coating deposition. The density of flows of elements, evaporated from the target, is determined by their specific heat of evaporation. However, the ratio of atoms in the flow, derived in this way, may not be retained in the formed coating due to the secondary evaporation of elements from the growth surface. The obtained results allow us to substantiate principles for the selection of components for achieving the optimal element and phase compositions of high-entropy alloys. На основі аналізу елементного складу матеріалів мішені з високоентропійного шестиелементного сплаву AlTiVCrNbMo і електронно-променевих покриттів на його основі встановлено критичний параметр (питома теплота випаровування елемента), який визначає селективну зміну елементного складу. Показано, що формування однофазного покриття високоентропійного сплаву відбувається, коли до складу покриття входить не менше 5 елементів. Отримані результати дозволяють обґрунтувати принципи підбору компонент для досягнення оптимальних елементного та фазового складу високоентропійних сплавів.

Influence of the period value Λ (at different negative potential Ub that supplied during deposition) on phase composition, structure, stress-strain state and hardness of multiperiod coatings ZrNₓ/MoNₓ is investigated by using complex methods of validation structural state at combined with microindentation. Formation in layers ZrNx and MoNx the phases with cubic lattice and preferred orientation of crystallites with axis [100] is established. Stress-strain state of compression with increasing Ub is amplified and reaches maximum value (– 6.7 GPa) at Λ = 20 nm and Ub – 110 V. Hardness of coating increases with decreasing Λ from 300 to 20 nm. Coatings that obtained with Λ = 20 nm and Ub – 110 V have the highest hardness 44 GPa. Relaxation of structural compressive stresses and decreasing hardness is happening at smaller Λ and larger Ub – 110 V (as a result of radiation-stimulated forming defect and mixing). Data of computer modeling of defectiveness at atomic level at bombardment of ions that accelerated in field Ub are used to explain the results. Використовуючи комплекс методів атестації структурного стану в поєднанні з мікроіндентуванням досліджено вплив величини періоду Λ (при різному негативному потенціалі Ub, що подається при осадженні) на фазовий склад, структуру, напружено-деформований стан і твердість багатоперіодних покриттів ZrNₓ/MoNₓ. Встановлено формування в шарах ZrNx і MoNx фаз з кубічної решіткою і переважною орієнтацією кристалітів з віссю [100]. Напруженно-деформований стан стиснення зі збільшенням Ub посилюється, досягаючи максимального значення (– 6,7 ГПа) при Λ = 20 нм і Ub – 110 В. Твердість покриттів збільшується зі зменшенням Λ від 300 до 20 нм. Покриття, отриманні при Λ = 20 нм і Ub – 110 В мають найбільшу твердість 44 ГПа. При меншому Λ і великому Ub – 110 В (в результаті радіаційно-стимульованого дефектоутворення і перемішування) відбувається релаксація структурних напружень стиску та зменшення твердості. Для пояснення отриманих результатів використані дані комп'ютерного моделювання пошкоджуваності на атомному рівні при бомбардуванні прискореними в поле Ub іонами.

Multi-threshold slices of an intensity of the optical images of the surface were used for a quantitative assessment of physical and chemical processes on the covering. Computer analysis was applied for testing the real relief by correlation of the image intensity with a geometrical profile representation (axis Z is accepted as optical microscopy intensity scale). The multithreshold method of image analysis proposed and applied in the present study is based on an assessment of the fractal dimension of relief elements rather than the entire surface “as a whole”, which makes the processing procedure effective in the images of any origin (not only optical microscopy data, but also scanning electron microscopy). It is shown that the replacement of full-profile analysis with the analysis of the series arrays of the sections along the axis of the intensity makes the determination of the fractal dimension of complex surface topography formed under nonequilibrium conditions quite simple. The effect of the thickness and the stress-strain state of ion-plasma diboride's layers formed as the fractal dimension surface structure was considered. The use of colour optical image analysis techniques and assumption about the existence of the four components of the graphene layer on copper, opens the way to carry out morphological analysis of islands of each type and propose the model of stages of formation of the graphene coating.

A comprehensive study of the influence of the thickness of the layers, Us and PN on the structural engineering to obtain high mechanical properties in multilayer composite MoN / CrN vacuum-arc coatings has been conducted by means of scanning electron microscopy with energy analysis, X-ray diffraction studies microindentation and scratch testing methods. It has been determined that in the studied PN  (2- 30)  10 – 4 Torr, the content of nitrogen in the coatings varies from 6.3 to 33 at. %, which leads even at the greatest nitrogen content to the formation of lower phase by nitrogen, -Mo2N and isostructural CrN with the vacant sites in the nitrogen sublattice. The increase of thickness of the layers applied on the substrate in a stationary state promotes the increase of nitrogen content. Along with this, the lowest microdeformation and the average size of crystallites are formed at Ub  – 300 V, which defines the achievement of greater hardness of 35 GPa and high adhesion strength, which resists the destruction, Lc5  187.6 N.

ZrN-phase coatings with a cubic lattice (NaCl structure type) were produced by the method of vacuum-arc evaporation of a Zr cathode in nitrogen atmosphere at pressures PN between 0.02 and 0.64 Pa. The pressure increase at a bias potential of -150 V leads to formation of the growth texture [111] or to appearance of the bitextural state with the axes [111] and [311]. Additional pulsed-mode supply of high-voltage negative potential Uip = 800…2000 V, with pulse duration of 10 μs and frequency of 7 kHz, stimulates the emergence of texture [110]. At the substructure level, the Uip supply causes the microstrain relaxation and the crystallite size growth with increasing pressure. The observed changes are attributed to increased particle mobility and nitride formation activity under the action of Uip. The hardness increases with increasing pressure and reaches a value of 43 GPa. The Uip supply leads to a shift of the maximum hardness towards higher pressures. Методом вакуумно-дугового испарения Zr-катода в азотной атмосфере при давлении PN = 0,02…0,64 Па получены покрытия ZrN с кубической (структурный тип NaCl) кристаллической решеткой. Повышение давления при потенциале смещения -150 В приводит к образованию текстуры роста [111] или появлению битекстурного состояния с осями [111] и [311]. Дополнительная подача высоковольтного отрицательного потенциала Uпи = 800…2000 В в импульсном режиме с длительностью 10 мкс и частотой 7 кГц стимулирует появление текстуры [110]. На субструктурном уровне подача Uпи приводит к релаксации микродеформации и росту размеров кристаллитов при повышении давления азота. Наблюдаемые изменения связываются с повышением подвижности частиц и активности нитридообразования в условиях действия Uпи.. Твердость возрастает с увеличением давления и достигает значения 43 ГПа. Подача Uпи приводит к смещению максимальной твердости в сторону больших давлений.

By means of X-ray diffraction, transmission and scanning electron microscopy, energy dispersive spectroscopy and indentation methods, the effect of nitrogen atmosphere pressure on composition, structure and hardness of vacuum-arc (Ti-Al-Zr-Nb-Y)N coatings during the deposition process has been studied. The two-phase state of the coating with solid-solution metal component (bcc lattice) and nitride phase (fcc lattice) have been formed. Increasing the pressure of nitrogen atmosphere leads to the increase of nitrogen component in the coating as well as to increase of the ordering regions size, allowing to achieve the hardness of H = 49 GPa at a pressure of P = 0.5 Pa. When you are citing the document, use the following link http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/35850