Структурно-фазовые состояния и микромеханические свойства наноструктурированных покрытий TiAlCuN

Покрытия TiAlCuN были сформированы методом реактивного магнетронного распыления на подложках титана марки ВТ1-0 и монокристаллического кремния. Для контроля и управления процессом нанесения покрытий методом реактивного магнетронного распыления использовался разработанный модульный комплекс управления расходом газов. Исследован элементный состав покрытий методом рентгеноспектрального микроанализа. Изучено структурно-фазовое состояние покрытий методами рентгеновской дифракции и сканирующей электронной микроскопии. Механические свойства, такие как твердость и модуль Юнга, исследованы по методике Оливера и Фарра с использованием нанотвердомера CSM Instruments Nanohardness Tester NHT2 (Швейцария). Рассмотрено влияние параметров осаждения, таких как: содержание Ti и Al, степень реактивности α и концентрация азота на структуру и механические свойства. Установлено, что снижение степени реактивности α с 0,605 до 0,474 приводит к увеличению скорости осаждения покрытия TiAlCuN на 23 %. Обнаружено, что добавление меди в состав приводит к уменьшению среднего размера кристаллитов и колонок роста по сравнению с TiAlN аналогами за счет ее сегрегации по границам раздела фаз, что улучшает механические свойства покрытий. Твердость покрытий TiAlСuN варьируется в диапазоне H = 29,3–35,4 ГПа, модуль Юнга – E = 235,9–267,6 ГПа. Рассчитаны показатели ударной вязкости H / E* и сопротивления пластической деформации H3 / E*2. Сформированные нитридные покрытия пригодны для использования в космической технике. 

1. Витязь, П. А. Наноматериаловедение / П. А. Витязь, Н. А. Свидунович, Д. В. Куис. – Минск, 2015. – 511 с.

2. Effects of Protone Irradiation on the Structural-Phase State of Nanostructured TiZrSiN Coatings and Their Mechanical Properties / F. F. Komarov [et al.] // J. Eng. Phys. Thermophys. – 2021. – Vol. 94, N 6. – P. 1609–1618. https://doi.org/10.1007/s10891-021-02442-2

3. Controllable high adhesion and low friction coefficient in TiAlCN coatings by tuning the C/N ratio / X. Li [et al.] // Appl. Surf. Sci. – 2022. – Vol. 597. – P. 153542. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.153542

4. Residual stresses and tribomechanical behaviour of TiAlN and TiAlCN monolayer and multilayer coatings by DCMS and HiPIMS / W. Tillmann [et al.] // Surf. Coat. Technol. – 2021. – Vol. 406. – P. 126664. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2020.126664

5. Structure and Mechanical Properties of TiAlN Coatings under High-Temperature Ar+ Ion Irradiation / F. F. Komarov [et al.] // Acta Phys. Pol., A. – 2022. – Vol. 142, N 6. – P. 690–696. http://doi.org/10.12693/aphyspola.142.690

6. Effect of Helium ion irradiation on the structure, the phase stability, and the microhardness of TiN, TiAlN, and TiAlYN nanostructured coatings / F. F. Komarov [et al.] // Tech. Phys. – 2016. – Vol. 61, N 5. – P. 696–702. https://doi.org/10.1134/s106378421605011x

7. Nanostructured Coatings / eds. by A. Cavaleiro, J. T. M. De Hosson. – Berlin, 2006. – 648 p. https://doi.org/10.1007/978-0- 387-48756-4

8. Optical properties of TiAlC/TiAlCN/TiAlSiCN/TiAlSiCO/TiAlSiO tandem absorber coatings by phase-modulated spectroscopic ellipsometry / J. Jyothi [et al.] // Appl. Phys. A. – 2017. – Vol. 123, N 7. – Art. 496. https://doi.org/10.1007/s00339-017-1103-2

9. Titanium-aluminum-nitride coatings for satellite temperature control / M. Brogren [et al.] // Thin Solid Films. – 2000. – Vol. 370, N 1–2. – P. 268–277. https://doi.org/10.1016/s0040-6090(00)00914-7

10. Mejía, H. D. V. Development and characterization of TiAlN (Ag, Cu) nanocomposite coatings deposited by DC magnetron sputtering for tribological applications / H. D. V. Mejía, D. Perea, G. Gilberto Bejarano // Surf. Coat. Technol. – 2020. – Vol. 381. – Art. 125095. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2019.125095

11. TiAlN/Cu nanocomposite coatings deposited by filtered cathodic arc ion plating / L. Chen [et al.] // J. Mater. Sci. Technol. – 2017. – Vol. 33, N 1. – P. 111–116. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2016.07.018

12. Microstructure, electrical and mechanical properties of Ti2AlN MAX phase reinforced copper matrix composites processed by hot pressing / C. Salvo [et al.] // Mater. Charact. – 2021. – Vol. 171. – Art. 110812. https://doi.org/10.1016/j.matchar.2020.110812

13. Система контроля расхода газов для применения в технологии реактивного магнетронного распыления / И. М. Климович [и др.] // Приборы и методы измерений. – 2015. – Т. 6, № 2. – С. 139–147.

14. Radiation tolerance of nanostructured TiAlN coatings under Ar+ ion irradiation / S. V. Konstantinov [et al.] // Surf. Coat. Technol. – 2020. – Vol. 386. – Art. 125493. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2020.125493

15. Oliver, W. C. Measurement of hardness and elastic modulus by instrumented indentation: Advances in understanding and refinements to methodology / W. C. Oliver, G. M. Pharr // J. Mater. Res. – 2004. – Vol. 19, N 1. – P. 3–20. https://doi.org/10.1557/ jmr.2004.19.1.3

16. Самсонов, Г. В. Тугоплавкие соединения / Г. В. Самсонов, И. М. Виницкий. – 2-е изд. – М., 1976. – 560 с.

17. The effect of steel substrate pre-hardening on structural, mechanical, and tribological properties of magnetron sputtered TiN and TiAlN coatings / F. F. Komarov [et al.] // Wear. – 2016. – Vol. 352–353. – P. 92–101. https://doi.org/10.1016/j.wear.2016.02.007

18. Leyland, A. Design criteria for wear-resistant nanostructured and glassy-metal coatings / A. Leyland, A. Matthews // Surf. Coat. Technol. – 2004. – Vol. 177–178. – P. 317–324. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2003.09.011

19. Musil, J. Hard nanocomposite coatings: Thermal stability, oxidation resistance and toughness / J. Musil // Surf. Coat. Technol. – 2012. – Vol. 207. – P. 50–65. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2012.05.073