Influence of the Bias Potential and the Pressure of the Nitrogen Atmosphere on the Structure and Properties of Vacuum-arc Coatings Based on the AlCrTiZrNbV High-entropy Alloy

Abstract

Досліджено вплив постійного потенціалу зміщення (Ub) якій подається на підкладку при конденсації і тиску азотної атмосфери (РN) на елементний склад, морфологію росту, текстуру і фізикомеханічні характеристики вакуумно-дугових (AlCrTiVZrNb)Nх покриттів. Встановлено, що зі збільшенням Ub від – 110 В до – 200 В відбувається зміна осі переважного зростання кристалітів ГЦК фази від [100] до [110]. Така зміна супроводжується зменшенням твердості (Н) і відношення H/E (де Е – модуль пружності). Обговорено умови формування переважної ориентації кристалітів (аксиальной текстури) вакуумно-дугових (AlCrTiVZrNb)Nх покриттів і вплив текстури на механічні властивості. Встановлено, що зміна РN в діапазоні (1.7-5)x10 – 3 Торр в основному дозволяє варіювати ступінь наповнення покриття атомами азоту. На основі виявлених закономірностей обгрунтовані умови досягнення високої твердості в вакуумно-дугових покриттів нітриду високоентропійного сплаву AlCrTiVZrNb. Через наявність в сплаві елементів з відносно низькою теплотою утворення нітриду для досягнення високої твердості необхідно використовувати умови осадження при відносно невисокій енергії бомбардуючих атомів. Використання в роботі невисокого Ub = – 110 В при найбільшему тиску PN = 5x10 – 3 Torr дозволяє досягти надтвердого стану з твердістю 44 ГПа.

The effect of the constant bias potential (Ub) supplied to the substrate upon condensation and pressure of the nitrogen atmosphere (PN) on the elemental composition, growth morphology, texture, and physicalmechanical characteristics of vacuum-arc (AlCrTiVZrNb)Nx coatings is studied. It is established that with increasing Ub from – 110V to – 200V, the axis of preferential growth of crystallites of the fcc phase from [100] to [110] changes. Such a change is accompanied by a decrease in the hardness (H) and the ratio H/E (where E is the modulus of elasticity). The conditions for the formation of the preferential orientation of the crystallites (axial texture) of vacuum-arc (AlCrTiVZrNb)Nx coatings and the influence of texture on mechanical properties are discussed. It was established that the change in PN in the range (1.7-5)x10 – 3 Torr basically allows to vary the degree of filling of the coating with nitrogen atoms. Based on the revealed regularities, the conditions for achieving high hardness for vacuum-arc coatings of nitrides AlCrTiVZrNb high-entropy alloy are substantiated. Because of the presence in the alloy of elements with a relatively low heat of nitride formation, in order to achieve high hardness, it is necessary to use deposition conditions with relatively low energy of bombarding atoms. The use of a low Ub = –110 V at the highest pressure PN = 5x10 – 3 Torr allows achieving an superhard state with a hardness of 44 GPa.