Structure and Properties of Vacuum Arc Single-Layer and Multiperiod Two-Layer Nitride Coatings Based on Ti(Al):Si Layers

Abstract

The paper provides an analysis of impact of deposition conditions on structural and phase state and thermal stability of vacuum arc coatings based on Ti(Al):Si layers. We studied single-phase single-layer coatings, and multiperiod bilayer coatings with second phase nitride interlayers of one of the following three metals: Mo, Cr or Zr. It was established that hexagonal and cubic lattices may form in the coatings when transition to the cubic lattice occurs with Al content of about 25 at. %. Presence of second nanoscale (7-8 nm) layers in bilayer multiperiod compositions, which consist of one nitride from CrNx, MoNx or ZrNx group, does not change the type of lattice in [Ti(Al):Si]Nx layers. Also, an fcc lattice with a strong or weak texture [111] forms in CrNx and ZrNx layers, while crystallites with hexagonal lattice form in MoNx layers. High-temperature annealing at 700 °С during 40 minutes leads to a significant (by 23 % or up to Нµ = 47.56 GPa) increase in microhardness of coating of the [Ti(Al)]Nx/ZrNy system due to formation of a nano-size structure with an average size of crystallites of 3.6 nm in [Ti(Al)]Nx layers, and 6.3 nm in ZrNx layers.Проанализировано влияние условий осаждения на структурно-фазовое состояние и термическую стабильность вакуумно-дуговых покрытий на основе слоев Ti(Al):Si. Исследованы однофазные однослойные покрытия, а также многопериодные бислойные покрытия с прослойками второй фазы из нитрида одного из трех металлов – Mo, Cr, Zr. Установлено, что в покрытии могут формироваться решетки гексагонального и кубического типов, причем переход к кубической решетке происходит при содержании Al около 25 ат. %. Наличие в бислойных многопериодных композициях вторых наноразмерных (7-8 нм) слоев, состоящих из одного нитрида из группы CrNx, MoNx или ZrNx, не изменяет тип решетки в слоях [Ti(Al):Si]Nx. В слоях CrNx и ZrNx также формируется ГЦК решетка с сильно- или слабовыраженной текстурой [111], а в слоях MoN – кристаллиты с решеткой гексагонального типа. Высокотемпературный отжиг при температуре 700 °С в течение 40 минут приводит к значительному (на 23 % или до Нµ = 47,56 ГПа) повышению микротвердости покрытия системы [Ti(Al)]Nx/ZrNy вследствие формирования наноразмерной структуры со средним размером кристаллитов в [Ti(Al)]Nx слоях 3,8 нм, а в ZrNx слоях – 6,3 нм.Проанализізовано вплив умов осадження на структурно-фазовий стан і термічну стабільність вакуумно-дугових покриттів на основі шарів Ti(Al):Si. Було досліджено однофазні одношарові покриття, а також багатоперіодні бішарові покриття з прошарками другої фази з нітриду одного з трьох металів – Mo, Cr, Zr. Було виявлено, що в покритті можуть формуватися гратки гексагонального і кубічного типів, причому перехід до кубічної гратки відбувається при вмісті Al близько 25 ат. %. Наявність у бішарових багатоперіодних композиціях других нанорозмірних (7-8 нм) шарів, що складаються з одного нітрида з групи CrNx, MoNx або ZrNx, не змінює тип гратки в [Ti(Al):Si]Nx шарах. У шарах CrNx і ZrNx також формується ГЦК гратка з сильно або слабовираженою текстурою [111], а в шарах MoNx – кристаліти з граткою гексагонального типу. Високотемпературний відпал при температурі 700 °С протягом 40 хвилин призводить до значного (на 23 % або до Нµ = 47,56 ГПа) підвищення мікротвердості покриття системи [Ti(Al)]Nx/ZrNy внаслідок формування нанорозмірної структури з середнім розміром кристалітів у [Ti(Al)]Nx шарах 3,8 нм, а в ZrN шарах – 6,3 нм.