Структурні характеристики та фізико-механічні властивості багатокомпонентних нітридних покриттів до і після іонної імплантації

Abstract

Дисертаційна робота присвячена дослідженню впливу імплантації негативних іонів Au- на фазовий склад, структурно-напружений і дефектний стан, механічні й трибологічні властивості п'яти- та шести- елементних нітридних покриттів (TiZrAlYNb)Nx і (TiZrHfVNbTa)Nx і вплив на них технологічних умов осадження (тиску робочого газу, і потенціалу зсуву підкладки). Результати дослідження елементного, фазового і напружено-деформованого стану покриттів свідчать про те, що в покриттях відбувається формування двух основних кристалічних фаз – ГЦК і ОЦК в залежності від тиску робочого газу. Фазовий стан змінюється від аморфного до нанокристалічного, а покриття знаходяться під напруженням стиску. Проведення іонної імплантації (однозарядними негативними іонами золота Au-) призводить до наступних наслідків. Поверхневий шар покриття сильно розупорядкований із підвищеною долею ОЦК фази у результаті балістичної взаємодії іонів золота і матеріалу покриття. Також, відбувається значне збільшення кількості дефектів у покритті: дислокацій, пустот, нанопор, бі- і тривакансій, а також вакансійних комплексів. Дослідження механічних та трибологічних властивостей покриттів показали, що імплантація іонами золота приводить до зростання твердості покриттів у імплантованому шарі (до величини 39,05 ГПа), а також індекс в’язкопластичності збільшується до 0,123. Спостерігається збільшення зносостійкості покриттів (у 2,5 рази) і зменшення коефіцієнту тертя. Таким чином, проведення іонної імплантації іонами золота, за рахунок внутрішніх процесів дефектоутворення, зменшення розміру зерен і збільшення об’ємної долі меж зерен призводить до покращення фізико-механічних властивостей покриттів (TiZrAlYNb)Nx і (TiZrHfVNbTa)Nx.

Диссертационная работа посвящена исследованию влияния имплантации отрицательных ионов Au- на фазовый состав, структурно-напряженное и дефектное состояние, механические и трибологические свойства пяти- и шести- элементных нитридных покрытий (TiZrAlYNb)Nx и (TiZrHfVNbTa)Nx и влияние на них технологических условий осаждения (давления рабочего газа, и потенциала смещения подложки). Результаты исследования элементного, фазового и напряженнодеформированного состояния покрытий свидетельствуют о том, что в покрытиях происходит формирование двух основных кристаллических фаз – ГЦК и ОЦК в зависимости от давления рабочего газа. Фазовое состояние изменяется от аморфного до нанокристаллического, а покрытия находятся под напряжениями сжатия. Проведение ионной имплантации (однозарядными отрицательными ионами золота Au-) приводит к следующим последствиям. Поверхностный шар покрытия сильно разупорядочен, с повышенной долей ОЦК фазы в результате баллистического взаимодействия ионов золота и материала покрытия. Также, происходит значительное увеличение количества дефектов в покрытии: дислокаций, пустот, нанопор, би- и тривакансий, а также вакансионных комплексов. Исследования механических и трибологических свойств покрытий показали, что имплантация золота приводит к возрастанию твердости покрытий в имплантированном шаре (до величины 39,05 ГПа), а также индекс вязкопластичности увеличивается до 0,123. Наблюдается увеличение износостойкости покрытий (в 2,5 раза) и уменьшение коэффициента трения. Таким образом, проведение ионной имплантации ионами золота, за счет внутренних процессов дефектообразования, уменьшения размера зерен и увеличения объемной доли границ зерен приводит к улучшению физико-механических свойств покрытий (TiZrAlYNb)Nx и (TiZrHfVNbTa)Nx.

The thesis is devoted to investigation of the influence of ion implantation by negative ions Au- on the phase composition, structure-stress and defect state, mechanical and trybological properties of five- and six- elements nitride coatings (TiZrAlYNb)Nx and (TiZrHfVNbTa)Nx, and influence on them of the deposition technological parameters – pressure of working state, and substrate bias voltage. The results of the investigation of element, phase and structure-deformated state of the coatings show that, two main crystalline phases are formed in the coatings – FCC and BCC; depending on the working gas pressure phase state is changed from amorphous to nanocrystalline; and coatings are under the compressive stress. Ion implantation (by one-charge negative ions gold Au-) leads to the following. Subsurface layer is disordered a lot, and has higher rate of BCC phase – based on ballistic collisions of ions of Au with the coating’s material. Also, number of defects in the coating is increased significantly – dislocations, holes, nanopores, bi- and triplevacancies, and also vacancy clusters are found. Investigation of mechanical and trybological properties of the coatings showed, that ion implantation leads to increasing of hardness of the coatings in the implanted layer (up to 39,05 GPa), and index of viscoplasticity is increased to 0,123. Wear resistance is increased (up to 2,5 times), and friction coefficient is decreased. Thus, ion implantation by Au- ions, leads to improving of physical and mechanical properties of the investigated coatings (TiZrAlYNb)Nx and (TiZrHfVNbTa)Nx, because of internal processes of defects formation, decreasing of grains sizes, and increasing of volume rate of grain boundaries.