Структура и микромеханические свойства покрытий TiAlSiN, TiAlSiCN, сформированных методом реактивного магнетронного распыления

   Методом реактивного магнетронного распыления сформированы наноструктурированные нитридные TiAlSiN и карбонитридные TiAlSiCN покрытия на различных типах подложек: монокристаллического кремния (100) и титана марки ВТ1-0. Для контроля и управления процессом нанесения покрытий использован разработанный модульный комплекс управления расходом газов (МКУРГ). Проведены исследования элементного состава методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (ЭДРС), структуры методом рентгеновской дифракции, морфологии методом сканирующей электронной микроскопии, микромеханических свойств методом наноиндентирования. Установлено, что сформированные покрытия во всем диапазоне параметров α = 0,421–0,605 обладают однофазной структурой (Ti, Al)N, представляющей собой неупорядоченный твердый раствор с гранецентрированной кубической решеткой. Средний размер кристаллитов фазы (Ti, Al)N варьируется в диапазоне (20–30) ± 5 нм. Обнаружено, что уменьшение степени реактивности α от значения α = 0,605 до α = 0,421 приводит к увеличению скорости осаждения нитридных TiAlSiN и карбонитридных TiAlSiСN покрытий на кремниевых подложках на 200–300 %. Твердость сформированных покрытий варьируется в диапазоне H = 28,74–48,99 ГПа, модуль Юнга E = 324,97–506,12 ГПа. Покрытия TiAlSiN, TiAlSiCN демонстрируют высокие показатели индексов ударной вязкости H/E* = 0,07–0,12 и сопротивления пластической деформации H3/E*² = 0,13–0,72. Установлено, что степень реактивности α оказывает значительное влияние на микромеханические свойства формируемых покрытий. Структура и микромеханические свойства сформированных наноструктурированных нитридных и карбонитридных покрытий TiAlSiN, TiAlSiCN являются пригодными для применения в изделиях космической техники.

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

2. Effects of Proton 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, № 6. – P. 1609–1618. doi: 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. doi: 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. doi: 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, № 6. – P. 690–696. doi: 10.12693/aphyspola.142.690

6. Wear resistance and radiation tolerance of He+-irradiated magnetron sputtered TiAlN coatings / S. V. Konstantinov [et al.] // High Temp. Mater. Proc. – 2014. – Vol. 18, № 1–2. – P. 135–141. doi: 10.1615/HighTempMatProc.2015015569

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

8. Veprek, S. A concept for the design of novel superhard coatings / S. Veprek, S. Reiprich // Thin Solid Films. – 1995. – Vol. 268. – Р. 64–71. doi: 10.1016/0040-6090(95)06695-0

9. Superhard nanocrystalline W2N/amorphous Si3N4 composite materials / S. Veprek, M. Haussmann, S. Reiprich // J. Vac. Sci. Technol. A. – 1996. – Vol. 14, № 1. – Р. 46–51. doi: 10.1116/1.579878

10. The search for novel, superhard materials / S. Veprek // J. Vac. Sci. Technol. A. – 1999. – Vol. 17, № 5. – Р. 2401–2420. doi: 10.1116/1.581977

11. Towards the understanding of mechanical properties of super- and ultrahard nanocomposites / S. Veprek, A. S. Argon // J. Vac. Sci. Technol. B. – 2002. – Vol. 20, № 2. – P. 650–664. doi: 10.1116/1.1459722

12. Different approaches to superhard coatings and nanocomposites / S. Veprek [et al.] // Thin Solid Films. – 2005. – Vol. 476, № 1. – Р. 1–29. doi: 10.1016/j.tsf.2004.10.053

13. Многокомпонентные нанокомпозитные покрытия с адаптивным поведением в поверхностной инженерии / А. Д. Погребняк [и др.] // Успехи физ. наук. – 2017. – Т. 187, № 6. – С 629–652. doi: 10.3367/UFNr.2016.12.038018

14. Effects of Si addition on structure and mechanical properties of TiAlSiCN coatings / X. Zhang [et al.] // Surf. Coat. Technol. – 2019. – Vol. 362. – P. 21–26. doi: 10.1016/j.surfcoat.2019.01.056

15. A review on analysis and development of solar flat plate collector / K. M. Pandey, R. Chaurasiya // Renew. Sustain. Energy Rev. – 2017. – Vol. 67. – P. 641–650. doi: 10.1016/j.rser.2016.09.078

16. Understanding the wear failure mechanism of TiAlSiCN nanocomposite coating at evaluated temperatures / F. Guo [et al.] // Trib. Int. – 2021. – Vol. 154. – P. 106716. doi: 10.1016/j.triboint.2020.106716

17. Multilayer SiBCN/TiAlSiCN and AlOx/TiAlSiCN coatings with high thermal stability and oxidation resistance / M. Golizadeh [et al.] // Surf. Coat. Technol. – 2017. – Vol. 319. – P. 277–285. doi: 10.1016/j.surfcoat.2017.04.016

18. Structural transformations in TiAlSiCN coatings in the temperature range 900–1600 °C / K. A. Kuptsov [et al.] // Acta Mater. – 2015. – Vol. 83. – P. 408–418. doi: 10.1016/j.actamat.2014.10.007

19. Measurement of high temperature emissivity and photothermal conversion efficiency of TiAlC/TiAlCN/TiAlSiCN/TiAlSiCO/TiAlSiO spectrally selective coating / J. Jyothi [et al.] // Sol. Energy Mater. Solar Cells. – 2017. – Vol. 171. – P. 123–130. doi: 10.1016/j.solmat.2017.06.057

20. Комаров, Ф. Ф. Влияние условий нанесения наноструктурированных покрытий из Ti–Zr–Si–N на их состав, структуру и трибомеханические свойства / Ф. Ф. Комаров, В. В. Пилько, И. М. Климович // Инженер.-физ. журн. – 2015. – Т. 88, №. 2. – C. 350–354.

21. 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.

22. Структурно-фазовые состояния и микромеханические свойства наноструктурированных покрытий TiAlCuN / С. В. Константинов [и др.] // Докл. Нац. акад. наук Беларуси. – 2023. – Т. 67, № 2. – С. 101–110. doi: 10.29235/1561-8323-2023-67-2-101-110

23. 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, № 1. – P. 3–20. doi: 10.1557/jmr.2004.19.1.3

24. Konstantinov, S. V. Effects of nitrogen selective sputtering and flaking of nanostructured coatings TiN, TiAlN, TiAlYN, TiCrN, (TiHfZrVNb)N under helium ion irradiation / S. V. Konstantinov, F. F. Komarov // Acta Phys. Pol. A. – 2019. – Vol. 136, № 2. – P. 303–309. doi: 10.12693/APhysPolA.136.303

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

26. Комаров, Ф. Ф. Радиационная стойкость наноструктурированных покрытий TiN, TiAlN, TiAlYN / Ф. Ф. Комаров, С. В. Константинов, В. Е. Стрельницкий // Докл. Нац. акад. наук Беларуси. – 2014. – Т. 58, № 6. – С. 22–27.

27. Optical properties of TiAlC/TiAlCN/TiAlSiCN/TiAlSiCO/TiAlSiO tandem absorber coatings by phase-modulated spectroscopic ellipsometry / J. Jyothi, A. Biswas, P. Sarkar // Appl. Phys. A. – 2017. – Vol. 123, № 7. – P. 496. doi: 10.1007/s00339-017-1103-2

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

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

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

31. Структура и механические свойства наноструктурированных нитридных и карбонитридных покрытий TiAlCuN, TiAlCuCN / С. В. Константинов [и др.] // Порошковая металлургия: инженерия поверхности, новые композиционные материалы. сварка : сб. докл. 13-го Междунар. симп. (Минск, 5–7 апр. 2023 г.). – Минск, 2023. – Ч. 2. – С. 283–290.