Formation and Physical Properties of Multicomponent Coatings Sputter-deposited from Co-Cr-Ni-Ti-Zr-Hf-Ta-W-C Segmented Target

Abstract

Шляхом розпилення мішені-стрижня, що складається з шайб різних металів та вуглецю, отримані багатокомпонентні покриття. Розпилювальний пристрій, що використовувався для отримання покриттів, був розроблений авторами та є модифікацією магнетронного розпилення на постійному струмі з катодним вузлом у вигляді пустотілого катода. Коаксіально розпилювальній мішені-стрижню розташовують трубу, на внутрішню поверхню якої відбувається конденсація. З метою досліджень структурно-фазового стану та фізичних властивостей конденсатів використовують підкладки, які розташовують вздовж внутрішньої поверхні труби паралельно осі мішені-стрижня. На основі вивчення методом EDXA розподілу елементного складу конденсатів на таких підкладках за використання набору шайб з металів Co, Cr, Ni, Ti, Zr, Hf, Ta, W та вуглецю встановлено формування покриттів (TiTaW)C0.34, (TaTiWCrHf)C0.22, (WTaTiCrHfCo)C0.12, (CrWHfTaCoNiTiZr)C0.1, (CrHfWNiCoTaTi)C0.09 та (CrHfNiCoWTa)C0.08. При дослідженні покриттів за допомогою ПЕМ та РЕМ, а також рентгенофазового аналізу зроблено висновок про те, що їх структура при збільшенні вмісту вуглецю змінюється від дрібнодисперсних полікристалів до аморфного стану. З підвищенням концентрації вуглецю приблизно до 22 ат. % відбувається зменшення шорсткості поверхні покриттів, карбідизація твердого розчину Ті, Та, Hf, Cr, W та відповідне підвищення мікротвердості покриттів до 17 ГПа. Насамкінець, елементним складом покриттів можна керувати, варіюючи склад та геометричні параметри складеної мішені-стрижня.

Multicomponent coatings were fabricated by sputtering of a rod target consisting of discs of various metals and carbon. The sputtering device used in this study has been developed by authors and represents modified dc magnetron sputtering with cathodic assembly in the form of a hollow cathode. A pipe is located coaxially to the sputtered rod target, and deposition takes place onto the inner surface of the pipe. In order to study structural and phase state and physical properties of the deposits, substrates are used which are placed along the pipe’s inner surface parallel to the rod target axis. For a set of elements of Co, Cr, Ni, Ti, Zr, Hf, Ta, W and carbon to build the segmented rod target, elemental composition of the corresponding coatings on the substrates was studied by means of EDXA. Elemental distribution revealed the formation of (TiTaW)C0.34, (TaTiWCrHf)C0.22, (WTaTiCrHfCo)C0.12, (CrWHfTaCoNiTiZr)C0.1, (CrHfWNiCoTaTi)C0.09 and (CrHfNiCoWTa)C0.08 coatings. From TEM, SEM and XRD studies it was concluded that the coatings structure varied from fine-dispersed polycrystalline to amorphous as carbon concentration increased. Along with it, as carbon concentration reached ~ 22 at. %, the surface roughness increased, solid solution of Ti, Ta, Hf, Cr, W carbidized, and microhardness increased up to 17 GPa. Finally, elemental composition of the coatings can be controlled by varying composition and geometry of the segmented rod target.