Материал: Изучение функциональных свойств многослойных пленок на основе двух- и трехкомпонентных нитридов тугоплавких металлов и их соединений с легкоплавкими металлами и неметаллами
86
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Окончание табл. |
3 . 1 6 |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
3 |
|
|
4 |
|
5 |
|
6 |
|
7 |
8 |
9 |
|
10 |
|
11 |
|
12 |
|
|
13 |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
Комбинированный метод – МР+ЭДИ: общие ТехП: Uвыс = 600 В; N = 2,0 кВт; Uсм = 90 В; N2 = 50 %; Iд = 75 А; Р = 1,0 Па; |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
702/600 |
|
|
|
|
|
|
LAl = 270 мм (катод) и LTi = 100 мм (мишень) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
Vнагр.подл |
|
К/мин |
|
|
|
|
605…685 |
|
|
2,6 |
|
|
5,0 |
|
29 |
|
302 |
|
283 |
|
0,10 |
|
0,58 |
|
|
62 |
|
2,87 |
|
– |
|
|
HF-2 |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
, |
|
|
602/700 |
|
|
615…700 |
|
|
2,9 |
|
|
5,5 |
|
30 |
|
309 |
|
290 |
|
0,1 |
|
0,45 |
|
|
66 |
|
0,78 |
|
|
|
|
HF-1 |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
tи.о |
|
мин |
|
203/600 |
|
|
690…815 |
|
|
4,2 |
|
|
6,0 |
|
31 |
|
314 |
|
294 |
|
0,11 |
|
0,65 |
|
|
67 |
|
0,56 |
|
– |
|
|
HF-1 |
||||||||||
|
1 TiN-Ti1–хAlхN – технологический процесс осаждения Ti1–хAlхN слоя проводится при Uсм = 280 В, остальные процессы – при |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Uсм = 200 В; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
2 Ti |
-Ti |
|
Al |
N |
МР+ЭДИ |
; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
3Ti |
|
МР |
|
|
1–х х |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
ЭДИ |
-•TiN |
-Ti |
1–х |
Al |
|
N |
МР+ЭДИ |
•-Ti |
1–х |
Al N |
МР+ЭДИ |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
МР |
|
х |
|
|
|
х |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
Перед процессом осаждения Ti1–хAlхN слоя методом МР с Uсм = 80• В подложку нагревают методом ЭДИ с Vнагр.подл = 20 К/мин, в остальных экспериментах при МР нагрев осуществляют с Vнагр.подл = 70 К/мин.
содержания Al в слое до 26,05 ат. %, степени текстурированности до 0,7, изменением типа текстуры поликристаллического Ti1–хAlхN слоя до (103) + (107) h-Ti3Al2N2 и уменьшением размера ОКР. Установленные изменения в Ti1–хAlхN слое сопровождаются улучшением всех ФМС (рис. 3.25, а, 3.26 и см. табл. 3.16). Незначительное влияние Al оказывает только на стойкость Ti1–хAlхN слоя к упругой деформации разрушения Н/Е, в связи с тем, что величины Н и E с ростом Al синхронно повышаются (см. рис. 3.26 и табл. 3.16).
а
б
Рис. 3.25. Функциональные свойства Ti1–хAlхN слоев на основе тройного нитрида Ti3Al2N2 в зависимости от их фазового и элементного состава: а) ФМС; б) ИАС
87
а |
б |
в |
г |
Рис. 3.26. Зависимости трибологических свойств Ti1–хAlхN слоев, полученных ЭДИ и ЭДИ+МР (а, в, д) и МР (б, г, е), от содержания
в нихAl, h-Ti3Al2N2 и h-Ti2AlN фаз и размера ОКР (д, е). Зависимости ИАС Ti1–хAlхN слоев от их элементного состава (а, б), объемных долей основных фаз и полной свободной энергии (в, г). Зависимости ФМС и ИАС Ti1–хAlхN слоев от размера ОКР (ж) (см. также с. 89)
88
д |
е |
ж
Рис. 3.26. Окончание
Наиболее оптимальный комплекс ФМС: Н = 36 ГПа; Е = 358 ГПa; We = 76 %; H/E = 0,10; H3/E2 = 1,31 ГПa, и высокие адгезионные свойства (Sотп = 0,09·105 мкм2) соответствуют Ti1–хAlхN слою с максимальным содержанием в нем Al и h-Ti3Al2N2 фазы, сформированном при оптимальных ТехП и ТемП: Тнач.с = 0,182Тпл и Vнагр.с = 6 К/мин. Данный факт объясняется превосходством h-Ti3Al2N2 фазы по полной свободной энергии и, как следствие, бóльшей термической стабильностью по сравнению с другими возможными фазами Ti1–хAlхN слоев и их сочетаниями.
89
Таким образом, значение Eп является функцией фазового и элементного состава Ti1–хAlхN слоев. Рост Еп увеличивает термостойкость Ti1–хAlхN слоя и способствует сохранению ФМС. Низкий модуль Е также является желательным, так как он позволяет заданной нагрузке распределяться на более широкой области. Очень важным обнаружением является тот факт, что Ti1–хAlхN слои с одинаковой твердостью могут иметь различные значения Еп, легко изменяемые содержанием Al и объемной долей тройных нитридов. Указанные зависимости делают возможным контроль устойчивости Ti1–хAlхN слоя к пластической деформации, которая пропорциональна отношению H3/E2, и формирование высокоэффективных Ti1–хAlхN слоев с регулируемыми ФМС: микротвердостью Н, модулем Юнга E, упругим восстановлением We. С увеличением содержания Al в Ti1–хAlхN слоях в интервале х = 0,11…0,40 и приближением ее состава к стехиометрическому, повышением объемных долей h-Ti2AlN фазы или h-Ti3Al2N2 фазы (в зависимости от ТемП осаждения) все ФМС улучшаются.
При отклонении ТехП и ТемП от оптимальных ФМС Ti1–хAlхN слоя ухудшаются: Н уменьшается, Е увеличивается, в итоге ухудшается сопротивляемость слоя к упругой деформации разрушения и сопротивляемость пластической деформации.
При постоянном содержании Al в Ti1–хAlхN слое, но при повышении в нем соотношения концентраций Al и Тi (CAl/CTi) и уменьшении содержания в нем N2 все трибологические свойства улучшаются (табл. 3.17). Данный факт по результатам химического анализа объясняется приближением состава Ti1–хAlхN слоя к стехиометрическому. Оптимальное содержание Al
в Ti1–хAlхN слое – х = 0,4 (см. рис. 3.26).
Сравнение значений m, Iпm , IпV , IкV , Vк, f и Мтр показывает, что
Ti1–хAlхN слои с наименьшим размером ОКР, большими VTi3Al2N2 и Еп при примерно одинаковой концентрации в них Al по сравнению с Ti1–хAlхN
слоями на основе h-Ti2AlN фазы обладают лучшими трибологическими свойствами (см. рис. 3.26 и см. табл. 3.17).
Коррозионные свойства многослойных пленок на основе трехкомпонентных Ti1–хAlхN слоев в зависимости от их строения, фазового и элементного состава. Коррозионным испытаниям подвергались Ti1–хAlхN слои, сформированные МР в соответствии с оптимальными ТехП. Катодные кривые поляризации сплава ВК8 в 5%-ном растворе NaOH, лежащие отрицательнее потенциала –0,4 В, отвечают процессу кислородной деполяризации (рис. 3.27). На образце без Ti1–хAlхN слоя ток растворения с увеличением потенциала выше –0,4 В стремительно растет, достигает критической
90