A Computer Simulation of Radiation-Induced Structural Changes and Properties of Multiperiod ZrNx/MoNx System

Abstract

Influence of the period value Λ (at different negative potential Ub that supplied during deposition) on phase composition, structure, stress-strain state and hardness of multiperiod coatings ZrNx/MoNx is investigated by using complex methods of validation structural state at combined with microindentation. Formation in layers ZrNx and MoNx the phases with cubic lattice and preferred orientation of crystallites with axis [100] is established. Stress-strain state of compression with increasing Ub is amplified and reaches maximum value (– 6.7 GPa) at Λ = 20 nm and Ub = – 110 V. Hardness of coating increases with decreasing Λ from 300 to 20 nm. Coatings that obtained with Λ = 20 nm and Ub = – 110 V have the highest hardness 44 GPa. Relaxation of structural compressive stresses and decreasing hardness is happening at smaller Λ and larger Ub = – 110 V (as a result of radiation-stimulated forming defect and mixing). Data of computer modeling of defectiveness at atomic level at bombardment of ions that accelerated in field Ub are used to explain the results.

Використовуючи комплекс методів атестації структурного стану в поєднанні з мікроіндентуванням досліджено вплив величини періоду Λ (при різному негативному потенціалі Ub, що подається при осадженні) на фазовий склад, структуру, напружено-деформований стан і твердість багатоперіодних покриттів ZrNx/MoNx. Встановлено формування в шарах ZrNx і MoNx фаз з кубічної решіткою і переважною орієнтацією кристалітів з віссю [100]. Напряженно-деформований стан стиснення зі збільшенням Ub посилюється, досягаючи максимального значення (– 6,7 ГПа) при Λ = 20 нм і Ub = – 110 В. Твердість покриттів збільшується зі зменшенням Λ від 300 до 20 нм. Покриття, отриманні при Λ = 20 нм і Ub = – 110 В мають найбільшу твердість 44 ГПа. При меншому Λ і великому Ub = – 110 В (в результаті радіаційно-стимульованого дефектоутворення і перемішування) відбувається релаксація структурних напружень стиску та зменшення твердості. Для пояснення отриманих результатів використані дані комп'ютерного моделювання пошкоджуваності на атомному рівні при бомбардуванні прискореними в поле Ub іонами.

Используя комплекс методов аттестации структурного состояния в сочетании с микроиндентированием, исследовано влияние величины периода Λ (при разном отрицательном потенциале Ub, подаваемом при осаждении) на фазовый состав, структуру, напряженно-деформированное состояние и твердость многопериодных покрытий ZrNx/MoNx. Установлено формирование в слоях ZrNx и MoNx фаз с кубической решеткой и преимущественной ориентацией кристаллитов с осью [100]. Напряженно-деформированное состояние сжатия с увеличением Ub усиливается, достигая максимального зна- чения (– 6,7 ГПа) при Λ = 20 нм и Ub = – 110 В. Твердость покрытий увеличивается с уменьшением Λ от 300 до 20 нм. Покрытия, полученные при Λ = 20 нм и Ub = – 110 В имеют наибольшую твердость 44 ГПа. При меньшем Λ и большом Ub = – 110 В (в результате радиационно-стимулированного де- фектообразования и перемешивания) происходит релаксация структурных напряжений сжатия и уменьшение твердости. Для объяснения полученных результатов использованы данные компьютерного моделирования повреждаемости на атомном уровне при бомбардировке ускоренными в поле Ub ионами.