Структура та властивості багатошарових та багатоелементних покриттів нанометрового масштабу на основі (TiAlSiY)N/MeN (Me=Mo, Cr, Zr)

Abstract

Дисертаційна робота присвячена виявленню особливостей процесів синтезу, елементного і фазового складу, субструктури та властивостей багатоелементних та багатошарових покриттів нанометрового масштабу (TiAlSiY)N/MeN (Me=Mo, Cr, Zr), що синтезуються методом вакуумно-дугового осадження. Здійснено визначення зв'язків між структурою та механічними і трибологічними властивостями покриттів. Встановлено, що склад і кристалічна структура багатоелементних нітридних шарів в одношарових і багатошарових покриттях подібні: формуються тверді розчини на основі кубічного TiN з кристалічною граткою типу NaCl (B1). Бінарні шари CrN та ZrN також мають ГЦК структуру типу NaCl, а в покриттях з Mо формується δ-MoN з гексагональною структурою. Найбільші значення нанотвердості та модуля Юнга отримано для багатошарового (TiAlSiY)N/MоN покриття та складають 36 ГПа та 406,8 ГПа, відповідно, що у 1,5 рази вище, ніж в покриттях з Cr та Zr. Зміцнення в першу чергу обумовлено найменшими серед зразків серії значеннями періоду модуляції шарів та розміром кристалографічного зерна у поєднанні з найбільш чітко вираженими ганицями між шарами композиції. Мікротопологія покриттів TiAlSiY-серії вивчалася в рамках методу двовимірного мультифрактального флуктуаційного аналізу (2D-MFDFA). Для поверхні TiAlSiY покриття спостерігається найширший діапазон узагальнених значень показника Херста h(q). Встановлено, що TiAlSiY зразок характеризується найвищою шорсткістю поверхні, а найбільш гладкій поверхні відповідає (TiAlSiY)N/MoN покриття.

Диссертационная работа посвящена выявлению особенностей процессов синтеза, элементного и фазового состава, субструктуры и свойств многоэлементных и многослойных покрытий нанометрового масштаба (TiAlSiY)N/MeN (Me = Mo, Cr, Zr), синтезируемых методом вакуумно-дугового осаждения. Определены связи между структурой, механическими и трибологическими свойствами покрытий. Установлено, что состав и кристаллическая структура многоэлементных нитридных слоев в однослойных и многослойных покрытиях подобные: формируются твердые растворы на основе кубического TiN с кристаллической решеткой типа NaCl (B1). Бинарные слои CrN и ZrN также имеют ГЦК структуру типа NaCl, а в покрытиях с Mо формируется δ-MoN с гексагональной структурой. Наибольшие значения нанотвердости и модуля Юнга получено для многослойного (TiAlSiY)N/MоN покрытия и составляют 36 ГПа и 406,8 ГПа, соответственно, что в 1,5 раза выше, чем в покрытиях из Cr и Zr. Упрочнение в первую очередь обусловлено наименьшими среди образцов серии значениями периода модуляции слоев и размером кристаллографического зерна в сочетании с наиболее четко выраженными границами между слоями композиции. Определено влияние активации подложки на адгезионную прочность многослойных (TiAlSiY)N/CrN (Uсм = -280 В) покрытий, путем проведения серии скретч-тестов LС1 - LС5 с варьированием нагрузок. Лучшие показатели демонстрирует образец после 30 мин очистки ионами N при Uсм = -1000 В с подслоем Cr, для которого пластическое разрушение не наблюдается до 188,6 Н. Образец без подслоя Cr имеет самое низкое сопротивление критической нагрузке LC5 = 150,1 Н среди всех образцов серии. Микротопология покрытий TiAlSiY-серии изучалась в рамках метода двумерного мультифрактального флуктуационного анализа (2D-MFDFA). Для поверхности TiAlSiY покрытия наблюдается наиболее широкий диапазон обобщенных значений показателя Херста h(q). Установлено, что TiAlSiY образец характеризуется высокой шероховатостью поверхности, а наиболее гладкой поверхности отвечает (TiAlSiY)N/MoN покрытие.

The dissertation is devoted to the detection of features of synthesis processes, elemental and phase composition, substructure and properties of multi-element and multilayer nano-scale coatings (TiAlSiY)N /MeN (Me = Mo, Cr, Zr) synthesized by the vacuum-arc deposition method. The determination of the interrelations between the structure and mechanical and tribological properties of the coatings is done. It is established that the composition and crystal structure of multi-element nitride layers in single-layer and multilayer coatings are similar: solid solutions based on cubic TiN with a crystal lattice of the NaCl (B1) structural type are formed. The binary layers of CrN and ZrN also have the fcc structure of the NaCl type, while the formation of δ-MoN phase with a hexagonal crystal structure is observed in Mo layers. The multilayer (TiAlSiY)N/MoN coating exhibit the highest values of nanohardness and Young's modulus of 36 GPa and 406.8 GPa, respectively, which is 1.5 times higher than the corresponding values for Cr and Zr coatings. These enhancements are primarily due to the smallest values of modulation period of the layers for these samples and the grain size in combination with the most clearly defined interfaces between the layers of the composition. The micro-topology of TiAlSiY-series coatings was studied within the framework of the two-dimensional multifractal fluctuation analysis (2D-MFDFA) method. For the surface of TiAlSiY coating, the widest range of the generalized values of the Hurst index h(q) is observed. It is established that the TiAlSiY sample is characterized by the highest surface roughness, while the most smooth surface corresponds to multilayer (TiAlSiY)N/MoN coating.