Mixing on the Boundaries of Layers of Multilayer Nanoperiod Coatings of the TiNх/ZrNх System: Simulation and Experiment

Abstract

Using the complex of methods for attestation of the structural state in combination with computer simulation and measurement of mechanical properties (hardness), the influence of the period Λ on the mixing process on the interlayer boundaries of multilayer coatings TiNх/ZrNх is studied. The formation of two phases (TiN and ZrN) with one type of crystal lattice (structural type NaCl) is identified in the layers of multiperiodic compositions TiNx/ZrNx with a period of Λ = 20 ... 300 nm. At Λ  10 nm, the formation of a solid solution (Zr, Ti)N, as well as a small volume of the TiN phase is revealed on XRD spectras. The presence of TiN component is due to the larger initial value of the layer based on titanium nitride. To explain the results obtained, the results of computer simulation of damage at the atomic level during bombardment by ions accelerated in the Ub field are used. The critical thickness of mixing (about 7 nm) in the TiNx/ZrNx system is determined upon condition that Ub = – 110 V. It is established that a decrease in the period from 300 to 20 nm leads to increase in hardness. The highest hardness of 44.8 GPa corresponds to the superhard state. It is established that the critical thickness of radiation-stimulated defect formation has a significant effect on the stress-strain state and hardness of coatings with a small Λ ≈ 10 nm. In this case, relaxation of the stress-strain compression state occurs and the hardness decreases. However, the formation of a solid solution, while retaining part of the unreacted layer of titanium nitride at Λ = 10 nm, makes it possible to obtain an ultrahigh (44.8 GPa) hardness of the coating.

Використовуючи комплекс методів атестації структурного стану в поєднанні з комп'ютерним моделюванням і вимірюванням механічних властивостей (твердості), досліджено вплив величини періоду Λ на процес перемішування на міжшарових границях багатошарових покриттів TiNх/ZrNх. У шарах багатоперіодної композиції TiNх/ZrNх з величиною періоду Λ = 20 ... 300 нм виявлено формування двох фаз (TiN і ZrN) з одним типом кристалічної решітки (структурний тип NaCl). При Λ = 10 нм на рентгендифракційних спектрах виявляється утворення твердого розчину (Zr, Ti)N, а також малого об'єму TiN фази. Наявність TiN складової обумовлена більшою вихідною величиною товщини шару на основі нітриду титану. Для пояснення отриманих результатів використані результати комп'ютерного моделювання пошкоджуваності на атомному рівні при бомбардуванні прискореними в поле Ub іонами. Визначено критична товщина перемішування (близько 7 нм) в системі TiNх/ZrNх при дії Ub = – 110 В. Встановлено, що зменшення періоду від 300 до 20 нм призводить до підвищення твердості. Найбільша твердість 44,8 ГПа відповідає надтвердому стану. Встановлено, що критична товщина радіаційно-стимульованого дефектоутворення істотно впливає на напружено-деформований стан і твердість покриттів з малим Λ ≈ 10 нм. При цьому відбувається релаксація напружено-деформованого стану стиснення і зменшується твердість. Однак утворення твердого розчину при збереженні частини шару нітриду титану при Λ = 10 нм, який не прореагував, дозволяє отримати надвисоку (44,8 ГПа) твердість покриття.

Используя комплекс методов аттестации структурного состояния в сочетании с компьтерным моделированием и измерением механических свойств (твердости), исследовано влияние величины периода Λ на процесс перемешивания на межслойных границах многослойных покрытий TiNх/ZrNх. В слоях многопериодных композиций TiNx/ZrNx с величиной периода Λ = 20…300 нм выявлено формирование двух фаз (TiN и ZrN) с одним типом кристаллической решетки (структурный тип NaCl). При Λ = 10 нм на рентгендифракционных спектрах выявляется образование твердого раствора (Zr,Ti)N, а также малого объема TiN фазы. Наличие TiN составляющей обусловлено большей исходной величиной толщины слоя на основе нитрида титана. Для объяснения полученных результатов использованы результаты компьютерного моделирования повреждаемости на атомном уровне при бомбардировке ускоренными в поле Ub ионами. Определена критическая толщина перемешивания (около 7 нм) в системе TiNx/ZrNx при действии Ub = – 110 В. Установлено, что уменьшение периода от 300 до 20 нм приводит к повышению твердости. Наибольшая твердость 44,8 ГПа соответствует сверхтвердому состоянию. Установлено, что критическая толщина радиационно-стимулированного дефектообразования оказывает существенное влияние на напряженно-деформированное состояние и твердость покрытиях с малым Λ ≈ 10 нм. При этом происходит релаксация напряженно-деформированного состояния сжатия и уменьшается твердость. Однако образование твердого раствора при сохранении части непрореагировавшего слоя нитрида титана при Λ = 10 нм позволяет получить сверхвысокую (44,8 ГПа) твердость покрытия.