Фізико-механічні властивості та мікроструктура покриттів на основі нітриду ніобію легованого Si та Al

Abstract

Дисертаційну роботу присвячено комплексному дослідженню залежності морфології поверхні, структурних та субструктурних характеристик, елементного складу та механічних властивостей нанокомпозитних покриттів NbN, Nb-Si-N та NbAl-N від технологічних умов їх осадження. У роботі досліджені особливості переходу від двофазного покриття (δ-NbN+δ’NbN) до нанокомпозитного покриття з аморфним прошарком між нанокристалітами (δ-NbN/a-Si3N4 та nc-NbNx/nc-(Nb,Al)Nx/a-AlN) шляхом зміни концентрації легуючої домішки кремнію та алюмінію відповідно. Показано, що підвищення негативного потенціалу позитивно впливає на механічні властивості нітриду ніобію. Збільшення твердості від 28 ГПа до 29.5 ГПа та модуля пружності від 240 ГПа до 290 ГПа відбувається за рахунок підвищення концентрації більш твердої фази δ’-NbNx в складі покриття. Легування кремнієм та алюмінієм спричиняє перехід від нанокристалічної структури до нанокомпозиту, що зумовлює підвищення твердості до 30 ÷ 31 ГПа та модуля пружності до 310 ÷ 320 ГПа відповідно. В результаті математичного моделювання атомних конфігурацій та механічних властивостей δ-Si3N4(001), ε-NbN(001)/SixNy i δ-NbN(111)/SixNy виявлено, що підвищення механічних характеристик відбувається внаслідок зменшення швидкості руху дислокацій за рахунок підвищення об’ємної частки інтерфейсів у покритті. В результаті моделювання гетероструктур B1-NbN(001)/1 ML B1-AlN та B1−NbN(001)/2 ML B1-AlN, а також твердих розчинів B1-NbxAl1-xN виявлено, що тверді розчини B1-NbxAl1-xN при х < 0.67 повинні розпадатися та для цих концентрацій можливе формування нанокомпозитної структури, що складається з B1−NbN та B1−AlN кристалітів, що підтверджується експериментальними дослідженнями.

Диссертационная работа посвящена комплексному исследованию зависимости морфологии поверхности, структурных и субструктурных характеристик, элементного состава и механических свойств нанокомпозитных покрытий NbN, NbSi-N и Nb-Al-N от технологических условий их осаждения. В работе исследованы особенности перехода от двухфазного покрытия (δ- NbN + δ`-NbN) до нанокомпозитного покрытия с аморфным слоем между нанокристаллитов (δ- NbN/a- Si3N4 и nc- NbNx/nc- (Nb,Al)Nx/a- AlN) путем изменения концентрации легирующей примеси кремния и алюминия соответственно. Показано, что повышение отрицательного потенциала положительно влияет на механические свойства нитрида ниобия. Увеличение твердости от 28 ГПа до 29.5 ГПа и модуля упругости от 240 ГПа до 290 ГПа происходит за счет повышения концентрации более твердой фазы δ'- NbNx в составе покрытия. Легирование кремнием и алюминием приводит переход от нанокристаллической структуры к структуре нанокомпозита, что приводит к повышению твердости до 30 ÷ 31 ГПа и модуля упругости до 310 ÷ 320 ГПа соответственно. В результате математического моделирования атомных конфигураций и механических свойств δ- Si3N4 (001), ε- NbN (001)/SixNy и δ- NbN (111)/SixNy обнаружено, что повышение механических характеристик происходит вследствие уменьшения скорости движения дислокаций за счет повышения объемной доли интерфейсов в покрытии. В результате моделирования гетероструктур B1NbN (001)/1 ML B1 - AlN и B1- NbN (001)/2 ML B1- AlN, а также твердых растворов B1- NbxAl1- xN обнаружено, что твердые растворы B1- NbxAl1- xN при х<0.67 должны распадаться и для этих концентраций возможно формирование нанокомпозитной структуры, состоящей из B1 - NbN и B1 - AlN кристаллитов, что подтверждается экспериментальными исследованиями.

The dissertation is devoted to the complex study of the dependence of surface morphology, structural and substructural characteristics, elemental composition and mechanical properties of nanocomposite coatings NbN, Nb-Si-N и Nb-Al-N on the technological conditions of their deposition. The features of the transition from a two-phase coating (δ - NbN + δ'-NbN) to a nanocomposite coating with an amorphous layer between nanocrystallites (δ - NbN/a - Si3N4 and nc - NbNx/nc - (Nb,Al)Nx/a -AlN ) by varying the dopant concentration of silicon and aluminum, respectively. It is shown that an increase in the negative potential positively affects the mechanical properties of niobium nitride. An increase in hardness from 28 GPa to 29.5 GPa and an elastic modulus from 240 GPa to 290 GPa is due to an increase in the concentration of the harder phase δ'- NbNx in the coating composition. Doping with silicon and aluminum leads to a transition from a nanocrystalline structure to a nanocomposite structure, which leads to an increase in hardness to 30-31 GPa and an elastic modulus up to 310-380 GPa, respectively. As a result of mathematical modeling of atomic configurations and mechanical properties, δ - Si3N4 (001), ε - NbN (001)/SixNy and δ - NbN (111)/SixNy, it was found that the increase in mechanical characteristics occurs due to a decrease in the velocity of dislocation movement due to an increase in the volume fraction Interfaces in the coating. As a result of modeling of the B1-NbN (001)/1 ML B1 - AlN and B1 - NbN (001)/2 ML B1 - AlN heterostructures and also of solid solutions B1 -NbxAl1 - xN, it was found that the solid solutions B1 - NbxAl1 - xN for x<0.67 should decay and for these concentrations a nanocomposite structure consisting of B1 - NbN and B1 - AlN crystallites is possible, which is confirmed by experimental studies.