ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2015, том 116, № 6, с. 610-620
СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ
УДК 669.71 '786'295'781:539.538
ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫХ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ КОМПОЗИЦИОННОЙ КЕРАМИКИ AlN—TiB2—TiSi2 В ПРОЦЕССЕ ТЕРМИЧЕСКОГО ОТЖИГА
© 2015 г. А. Д. Погребняк*, Ю. А. Кравченко*, А. А. Демьяненко*, О. В. Соболь**,
В. М. Береснев***, А. В. Пшик*
*Сумский государственный университет, 40000 Сумы, ул. Римского-Корсакова, 2 **Харьковский технический университет "ХПИ", 61000Харьков, ул. Фрунзе, 21 ***Харьковский национальный университет им. В.Н.Каразина, 61077Харьков, пл. Свободы, 4
e-mail: alexp@i.ua Поступила в редакцию 13.08.2014 г.; в окончательном варианте — 14.10.2014 г.
Представлены результаты исследований морфологии, элементного и фазового состава покрытий, полученных методом импульсного магнетронного распыления мишени из композиционной керамики AlN—TiB2—TiSi2. Данная технология позволяет получить аморфноподобный защитный слой с размерами областей упорядочения до 1 нм. Термический отжиг образцов при температурах 900 и 1300°С приводит к обеднению поверхности покрытий боридными фазами и формированию на ней защитных пленок на основе a-Al2O3 и P-TiO2. В наноструктурированном покрытии наблюдается рост кристаллитов до 11—25 нм. Отжиг при температуре 1300°С позволяет получить термически стабильное кристаллическое состояние вещества, нанотвердость которого составляет 11 ГПа.
Ключевые слова: нанокомпозитное покрытие, импульсное магнетронное распыление, высокотемпературный отжиг, фазовый и элементный состав, аморфноподобная структура, нанотвердость.
БОТ: 10.7868/80015323015040129
ВВЕДЕНИЕ
Постоянное увеличение запросов в отношении производительности (скорости механической обработки) и качества деталей механизмов вместе с установленными экологическими стандартами приводит к систематическому повышению требований к физико-механическим свойствам поверхности изделий [1]. Кроме того, существует необходимость получения изделий с высокой твердостью и стойкостью к окислению. Традиционные нит-ридные покрытия на основе переходных металлов, такие как ИМ, позволяют решить проблемы повышения твердости [2, 3], стойкости поверхности к износу [4, 5] и воздействию агрессивных сред [3, 6]. Однако их главным недостатком является ограниченная стойкость к окислению при высоких температурах [7]. Введение в состав нитрида титана таких элементов, как А1 или 81 позволяет модифицировать защитные свойства поверхности. Например, включение А1 в состав ТШ приводит к образованию покрытий ТхА1уМг, характеризующихся высокой твердостью (~32 ГПа) [8] и стойкостью к окислению (до 800°С) [9]; легирование поверхности ионами 81 повышает ее способность сопротивляться абразивному износу и распылению ионами металла [9].
Наиболее широко изучены нанокомпозитные покрытия Т181М Они состоят из нанокристаллов ТШ, встроенных в аморфную матрицу из нитрида кремния. Эти покрытия хорошо сопротивляются окислению при температурах порядка 850°С, обладают сверхтвердостью (>40 ГПа) и являются термостабильными до 1100°С [10—12].
К более новым относятся результаты исследований четырехкомпонентных нанокомпозитных покрытий ТА181М, состоящих из кристаллической Т11- ХА1ХМ и аморфной 813М составляющих [13, 14].
Применение многокомпонентных и многослойных покрытий (толщина слоев несколько нанометров) позволяет получать защитные слои с высокой термической стабильностью физико-механических свойств и температурной стойкостью к оксидированию [15]. Необходимость длительной работы техники стала причиной формирования многослойных покрытий на основе многоэлементных материалов, таких как Т^^М [16], ТАЙШ/З^М [17], Т1СгМ/А181М [18], ТАЮМ/АШМ [19] и др. В работах [16—19] показано, что свойства многослойных покрытий наноразмерного масштаба в основном определяются толщиной и количеством отдельных слоев, а также процессами диффузии и фазо-образования в них. Использование ТАВД и Т181М
Таблица 1. Параметры процесса осаждения и отжига покрытий AlN—TiB2—TiSÎ2
Номер серии ТТ В I, A Тсм, В Технология отжига (атмосфера — воздух)
1 Исходное состояние
2 За 15 мин образцы нагревали до 200°С. За последующие 60 мин температура покрытий в камере возрастала до 900°С и выдерживалась ~60 мин. Последующее охлаждение покрытий до Т = 0°С проводи-
700 2 200 лось за 30 мин.
3 За 15 мин образцы нагревали до 200°С. За последующие 90 мин температура покрытий в камере возрастала до 1300°С и выдерживалась ~60 мин. После этого проводилось неконтролированное охлаждение покрытий до Т = 0°С
4 Для изучения эффекта ионной бомбардировки образцы ст. № 3 были имплантированы отрицатель-
ными ионами Au с энергией 60 кэВ до дозы 10 см2
Примечание. иимп — импульсное напряжение, подаваемое на распыляемую мишень; исм — потенциал смещения на подложке.
для формирования многослойных покрытий TiAlSiN позволяет получить сверхтвердую поверхность, которая благодаря внедрению пластичных слоев TiAlN способна сопротивляться деформации при внешнем воздействии [20].
Отметим также, что в последнее время актуальной темой является разработка покрытий с пятью и более элементами в составе. Если правильно подобрать комбинацию, то полученный материал имеет значительные преимущества перед покрытиями с меньшим количеством компонентов [21].
Целью данной работы является проведение комплексного исследования структуры, фазового состава, морфологии поверхности и физико-механических характеристик покрытий, полученных методом импульсного магнетронного распыления композиционной керамики AlN—TiB2—TiSi2.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Покрытия получены методом импульсного маг-нетронного распыления на подложки из стали 45 в установке, схема которой описана в роботе [22]. В качестве испаряемого материала были выбраны высокотемпературные композиционные системы AIN—T1B2 с добавкой дисилицида титана TiSi2 (разработка Института проблем материаловедения им. И.Н. Францевича НАНУ). Так как многокомпонентным многослойным покрытиям свойственна низкая адгезионная активность [15], то для качественной оценки адгезии покрытий были выбраны полированные подложки. Перед осаждением покрытий с целью обеспечения чистой кристаллической поверхности раздела (это ускоряет эпитаксиальный рост покрытия) в тлеющем разряде проводилась очистка поверхности подложки от ионов газа, а также оксидных и карбидных загрязнений (давление Ar составляло 0.08 Па; время обработки 15 мин). Дальнейшее магнетронное распыление материала на подложку проводили на протяжении 35 мин при парци-
альном давлении Ar в камере ~0.1 Па. Режимы осаждения и последующей обработки образцов представлены в табл. 1.
Изучение морфологии и элементного состава поверхности проводилось на сканирующем электронном микроскопе с системой энергодисперсионного анализа (SEM/EDS, ускоряющее напряжение 20 кВ). Толщина покрытий и состояние границ "покрытие—подложка" определялись с помощью растрового электронного микроскопа Quanta 600 FEG по фрактограммам излома. Профиль поверхности и определение размеров шероховатости поверхности получали с помощью сканирющующего микроскопа VK-X100/X200 с 3.0-лазером.
Для анализа структурно-фазового состояния использовали дифрактометр ДРОН-3М в Cu^a-излучении. Изучение фазового состава проводили с помощью традиционных методик рентгеновской дифрактометрии путем анализа положения, интенсивности и формы профилей дифракционных рефлексов. Для расшифровки дифрактограмм использовались таблицы международного центра дифракционных данных Powder Diffraction File. Дополнительные исследования фазового состава покрытий проводили методом малоуглового рассеяния в Cr^-излучении. Рентгеновская спектроскопия проводилась при помощи дифрактометра RINT-2500 V с использованием позиционно-чувствительного пропорционального счетчика (PSPC/MDGT).
Механические характеристики покрытий AlN— TiB2—TiSi2 (твердость и модуль упругости) определяли методом наноиндентирования на приборе Hysitron TI 950 Triboindenter. Для измерений использовали трехгранный индентор Берковича. Нагрузку на индентор выбирали таким образом, чтобы глубина проникновения не превышала 10% от толщины покрытия для предотвращения влияния подложки на измерение твердости и модуля упругости.
Рис. 1. Морфология поверхности покрытий А^-ТШ^"^^ (с. № 1) при увеличении 300 (а) и 2500 (б) раз.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Электронно-микроскопические исследования топографии покрытий на основе композиционной керамики А1М—Т1В2—Т1812 (рис. 1) показали, что при выбранных режимах осаждения формируется однородная структура защитного слоя с незначительной концентрацией капельных фракций микронных размеров (до 10 мкм в диаметре). В областях, свободных от этих дефектов роста, наблюдается достаточно ровная поверхность.
На рис. 2а приведен снимок, который демонстрирует морфологию поверхности АШ—1Т1В2-Т1812, полученный с помощью 3^-лазера. Оценка шероховатости поверхности показала, что экспериментально удалось подобрать режимы осаждения, которые позволяют создать покрытие с размером макрошероховатостей меньше 1 мкм (рис. 2б). Это свидетельствует о высоком качестве покрытий, нанесенных методом магнетронного распыления мишени многокомпонентного состава.
Считаем, что проявление включений на поверхности обусловлено локальной неоднородностью ее состава. В табл. 2 приведен интегральный элементный состав покрытий, полученный методом рентгеноспектрального анализа. Согласно этим данным, основу матрицы исходных покрытий образует металлическая составляющая — А1, из
легких компонентов лидирует бор. Большое количество элементов в составе покрытия усложняет анализ процессов диффузии во время распыления, и как следствие — установление причин образования локально неоднородных участков на поверхности. По данным спектрального анализа, элементный состав включений был следующим: В - 38.71 ат. %, С - 15.12 ат. %, N - 15.87 ат. %, О -9.62 ат. %, А1 - 10.75 ат. %, 81 - 1.55 ат. %, Т1 -4.36 ат. %, Fe - 4.01ат. %. Причина наличия железа в составе покрытия в том, что глубина проникновения электронов превышает размеры капли, вслед
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.