Структурно-фазовое состояние и физико-механические свойства нитридных покрытий на основе Ti, Hf, Zr, V и Nb

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 – фізика твердого тіла. – Сумський державний університет, Суми, 2015. Дисертаційна робота присвячена дослідженню структурно-фазового стану і фізико-механічних властивостей наноструктурних покриттів (Ti-Hf-Zr-V-Nb)N, які отримані вакуумно-дуговим осадженням. Проведене комплексне дослідження впливу режимів осадження (тиск робочого газу і потенціал зсуву підкладки) на морфологію, елементний і фазовий склад та як наслідок напружено-деформований стан, термічну стійкість, механічні і трибологічні властивості покриттів. Методами мікроаналізу (Ti-Hf-Zr-V-Nb)N покриття, такими як: ЕРМ, РЗР, ВІМС і МСТР, виявлено однорідний розподіл складових елементів у приповерхневому шарі, наявність тонкої оксидної плівки (ZrO, NbO, HfO і ZrO2) на поверхні та технологічних домішок (H, C і O). Визначені основні закономірності формування структурно-фазового стану покриттів, які отримані при різних параметрах осадження. Виявлено, що покриття є твердими розчинами з ГЦК-кристалічною граткою типу NaCl із кристалітами нанометричного масштабу. Встановлено, що підвищення енергії іонів зумовлює розвиток стискаючих напружень в покриттях. Дослідження термічного відпалювання на структурно-фазовий стан нітридних покриттів показало, що застосування високих значень параметрів осадження підвищує термічну стійкість до формування окислів. Аналіз механічних характеристик покриттів, виявив, що збільшення потенціалу зсуву підкладки приводить до підвищення твердості та модулю Юнга. Дослідження трибологічних властивостей (Ti-Hf-Zr-V-Nb)N покриттів, які осаджені на металеві диски показало збільшення коефіцієнта тертя та фактору зносу. Шляхом експериментального дослідження та теоретичного розрахунку статистичних параметрів встановлені закономірності зміни мікрогеометрії покриттів, які отримані при різних режимах осадження.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 – физика твердого тела. – Сумский государственный университет, Сумы, 2015. Диссертационная работа посвящена исследованию структурно-фазового состояния и физико-механических свойств наноструктурных покрытий (Ti-Hf-Zr-V-Nb)N, полученных методом вакуумно-дугового осаждения. Проведено комплексное исследование влияния режимов осаждения (давление рабочего газа и потенциал смещения подложки) на морфологию, элементный состав, фазовое и напряженно-деформированное состояние, термическую стойкость, механические и трибологические свойства покрытий. Показано, что повышение физических параметров осаждения приводит к уменьшению капельной составляющей на поверхности покрытия и, как следствие, формированию более равномерной поверхности. Использование экспериментальных и численных методов позволило провести как качественный, так и количественный анализ морфологии покрытий в зависимости от потенциала смещения подложки. Применение взаимодополняющих методик элементного анализа позволило проанализировать влияние параметров осаждения на концентрацию составляющих элементов, обнаружить неконтролируемые примеси в покрытии, провести комплексное исследование распределения элементов по глубине. Анализ структурно-фазового состояния обнаружил формирование твердого раствора с ГЦК-кристаллической решеткой всеми покрытиями независимо от режимов осаждения. Расчет субструктурных характеристик показал наличие кристаллитов нанометрового масштаба. Выявлено, что повышение энергии ионов приводит к развитию сжимающих напряжений в покрытии. В результате исследования термической стойкости обнаружено, что формирование сильнотекстурированного состояния и высокого уровня деформации сжатия в покрытии повышает его стойкость к формированию окислов. Выявлено, что термическое воздействие приводит лишь к слабому росту кристаллитов. Исследование механических характеристик показало, что в зависимости от условий осаждения твердость покрытий варьируется от 36 до 43 ГПа. Установлено, что нанесение нитридных наноструктурных покрытий (Ti-Hf-Zr-V-Nb)N на стальной диск значительно улучшает износостойкость последнего.

The thesis is devoted to the investigation of structural-phase state and physical and mechanical properties of nanostructured coatings (Ti-Hf-Zr-V-Nb)N, obtained by vacuum-arc deposition. The complete investigation of the effect of deposition regimes (working gas pressure and substrate bias potential) on the morphology, elemental composition, phase and stress-strain state, thermal stability, mechanical and tribological properties of coatings was studied. The homogeneous distribution of the constituent elements in the surface layer, the presence of a thin oxide layer (ZrO, NbO, HfO and ZrO2) on surface and uncontrolled impurities (H, C and O) in (Ti-Hf-Zr-V-Nb)N coatings were found by methods of microanalysis such as: EDX, RBS, SIMS and GDMS. The general features of structural and phase state of coatings, obtained at different technological parameters of deposition, were determined. It was found, that the coatings obtained by vacuum arc deposition, form the solid solution of fcc type crystal structure with grain of nanometer scale. It was established, that the increasing of energy of the ions causes the development of compressive stresses in the coating. The results of the study of thermal annealing on structural and phase state nitride coatings are given. It was shown, that the application of high values of deposition parameters increases the thermal stability to the formation of oxides. The analysis of mechanical characteristics of coatings found that the increasing of substrate bias potential leads to higher hardness and Young's modulus. The investigation of tribological properties (Ti-Hf-Zr-V-Nb) N coatings, which deposited on metal disks, showed an increase in the coefficient of friction and wear factor. Through the experimental investigation and theoretical calculation of statistical parameters the features of the change of coatings microgeometry, obtained with different modes of deposition, were established.