научная статья по теме СТРУКТУРА, СОСТАВ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЛЕНОК HFB2 И HF–B–N Физика

Текст научной статьи на тему «СТРУКТУРА, СОСТАВ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЛЕНОК HFB2 И HF–B–N»

^ ПРОЧНОСТЬ

И ПЛАСТИЧНОСТЬ

УДК 669.791'781'786:539.216.2

СТРУКТУРА, СОСТАВ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ПЛЕНОК HfB2 и Hf-B-N

© 2013 г. А. А. Гончаров*, С. Н. Дуб**, А. В. Агулов*

*Донбасская государственная машиностроительная академия, 83013 Краматорск, Донецкой обл., Украина **Институт сверхтвердых материалов им. В.Н. Бакуля НАН Украины, 04074 Киев, ул. Автозаводская 2 e-mail: applmath@dgma.donetsk.ua Поступила в редакцию 06.06.2011 г.; в окончательном варианте — 20.03.2012 г.

Исследовано влияние условий осаждения (потенциала смещения и температуры подложки) на структуру, состав и физико-механические характеристики нанокристаллических пленок диборида и боридонитрида гафния, полученных методом нереактивного (Аг) и реактивного (Аг + N2) ВЧ-маг-нетронного распыления, соответственно. Определены оптимальные условия для получения покрытий диборидов гафния с текстурой роста плоскостью (00.1), обладающие наилучшими физико-механическими характеристиками. Показано, что при потенциале смещения ±50 В и температуре подложки ~500°С формируется сверхстехиометрические сильнотекстурированные пленки с нанотвердостью 44 ГПа и модулем упругости 396 ± 11 ГПа. Установлена зависимость между составом, структурой и его физико-механическими характеристиками. При реактивном распылении (Аг + N2) формируются аморфно-кристаллические пленки композита (НШ2 + В^, состоящего из зерен нанокристаллической фазы НШ2, пространство между которыми заполнено аморфной фазой графитоподобного

Ключевые слова: нанокристаллические пленки, диборид гафния, дифрактограмма.

DOI: 10.7868/S001532301211006X

ВВЕДЕНИЕ

Наноструктурные покрытия диборидов и бо-ридонитридов переходных металлов, получаемые с использованием РУО- и СУО-методов, в настоящее время интенсивно исследуются благодаря присущим им высоким физико-механическим характеристикам. Бесспорным лидером по количеству публикаций и полноте исследований, несомненно, являются пленки диборида и боридо-нитрида титана [1—8] и соединений на их основе Т^—^^ [9-10].

Особенности формирования пленок, полученных на основе диборида гафния, до настоящего времени мало исследованы [3, 11].

Диборид гафния является одним из наиболее перспективных материалов, используемым в качестве защитных покрытий благодаря его высоким физико-механическим характеристикам [11], и также способностью сохранять свои термодинамические характеристики при высоких температурах (Тпл = 3350°С).

В настоящее время имеются публикации [11, 18], посвященные исследованию влияния структуры на механические свойства пленок диборида и боридонитрида гафния, полученных СУО-ме-тодом. Цель данной работы — исследование зависимости механических свойств тонких пленок диборида и боридонитрида гафния, полученных методом ВЧ-магнетронного распыления, от их структуры и состава.

МЕТОДИКА

Пленки НШ2 и Н— В—N получали методом ВЧ-магнетронного нереактивного (в аргоне) и реактивного (азот + аргон, 13.56 МГц) распыления при давлении рабочей смеси газов 0.56—0.64 Па, и изменении парциального давления азота, при постоянной мощности генератора Ж = 500 Вт. Концентрация азота в газовой смеси изменялись от 0 до 10%. В качестве мишени использовался 120 мм диск спеченной порошковой мишени НШ2. Осаждение производилось на подложке из твердого сплава марки Т15К6 и стали 12Х18Н9, размерами

20 х 5 х 5 мм. Образцы подвергались предварительной полировке и доводились до 14 класса шероховатости, и составляла Ra0.25 мкм. Крепление на подложкодержателе производилось с помощью механического зажима, температура измерялась термопарой в точке контакта "подложкодержа-тель—образец". Толщина пленок измерялась методом многолучевой интерферометрии (МИИ-4) и составляла от 1 мкм до 2 мкм.

Структуру и фазовый состав исследовались на дифрактометре ДРОН-3 в CuZa-излучении (Ni-фильтр). Величину областей когерентного рассеяния (ОКР) рентгеновских лучей рассчитывали по методу аппроксимации.

Механические испытания проводились на на-нотвердомере Nano Indentor II фирмы MTS System индентором Берковича. Твердость и модуль упругости находили при анализе кривой разгрузки индентора по методу Оливера и Фара [12]. Данный прибор выполнял 3 замера нагрузки и перемещения каждую секунду. Точность измерения перемещение индентора составляла ±0.04 нм, и нагрузки на индентор ±75 нН. Для достижения точности результатов измерения "нагрузки-разгрузки" проводилось по 10 измерений для каждого из образцов, при этом, погрешность измерений на каждом образце составляла от 5 до 10%.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Исследование структуры и фазового состава пленок HfB2 с помощью методов рентгеновской дифрактометрии и вторичной ионной масс-спек-трометрии показали, что все они соответствовали фазе HfB2 и имели нанокристаллическую структуру, при этом наблюдались существенные различия в их структурном состоянии, что приводило к различиям их физико-механических характеристик.

Наиболее характерной особенностью структуры пленок диборидов переходных металлов, синтезируемых PVD-методами, является столбчатая структура с текстурой роста плоскостью (00.1).

Дифрактограммы пленок диборида гафния, которые представлены на рис. 1а, получены на подложках из твердого сплава Т15К6 и стали 12Х18Н9 при приложенном потенциале смещения на подложкодержателе +50В, и без предварительного подогрева. На твердосплавной подложке (рис. 1а) Т15К6 формируется наноструктурная пленка с явно выраженной текстурой роста (0001). Слабо выраженная асимметрия пика (0001)-(0002), которая нами ранее была замечена для пленок ТаВ2 [13], является следствием наложения двух пиков (0001) и свидетельствует о существовании в пленке HfB2 плоскостей этого типа с большими и меньшими значениями межплоскостных рассто-

яний. Параметры решетки, рассчитанные по пикам (1010) и (0002), составляли для параметра "а" 3.17—3.27 нм, а для параметра "с" 3.56—3.62 нм. Размер ОКР по направлениям осей "а" составляли 20 нм, а "с" 30 нм [19]. На подложке из Т15К6 пленки показали очень высокие значения нано-твердости Н = 44 ± 3.7 ГПа и сравнительно небольшой модуль упругости Е = 469 ± 18 ГПа. Аналогично в работах [5, 15, 13] для пленок диборидов переходных металлов (Т1Б2, СгВ2, и ТаВ2) отмечается формирование покрытий с текстурой роста (00.1) и значениями нанотвердости соответственно 48.5, 49 и 44 ГПа.

Формируемые при этом пленки обладали высокими сжимающими макронапряжениями, что, как следствие, приводило к растрескиванию пленок. Именно это не позволило измерить нано-твердость и модуль упругости пленок на подложках из стали 12Х18Н9, полученных без подогрева подложки и при положительном потенциале смещения.

Макронапряжения Б, возникающие в пленке во время формирования, могут привести к ее саморазрушению, когда Б превышает некоторое пороговое значение. Известно, что макронапряжения Б состоят из двух компонентов, связанных с энергией формирования пленки и термического компонента, возникающего вследствие различных коэффициентов термического линейного расширения покрытия аС и подложки ад. Первый компонент проявляется при низком отношении Тд/ТМ, второй — когда напыление покрытия происходит при высоких температурах. Следовательно, можно заключить, что Б зависит от суммы энергий ,которая поставляется пленке в процессе напыления. Так как, общая сумма энергий напрямую зависит от условий осаждения, то очевидно, что с помощью них можно регулировать величину макронапряжений. Исследования, проводимые авторами [2], показали, что, величины макронапряжений напыляемых пленок при температуре подложки ~550°С имели значительно меньшее значения, чем покрытия, получаемые при таких же условиях осаждения, но без предварительного подогрева подложки. В этой работе показано, что величина макронапряжений может быть уменьшена с помощью энергии поставляемой растущей пленке. Авторами были определены оптимальные режимы осаждения пленочных конденсатов, с текстурой роста (00.1) и столбчатой структурой, потенциалом смещения — 50 В и температурой подложки ~550°С, которые описываются структурно-зонной диаграммой Мовчана—Демчишина [29]. Отличительной особенностью покрытий, формируемых при данных режимах, является весьма низкое значение сжима-

(а)

I, отн. ед 60000 50000 40000 30000 20000 10000 0

(б)

20 25

I, отн. ед. 9100 8600 8100 7600 7100 6600 6100 5600

30 35 40 45 50 55

600

5

Н4

а к

узк2 р

агр1 На

0 20 40 60 80 100 120 140

20

30

40

50

60

70

5

Н4

м

а, 3

к

з

у2 р2

г

а На1

0

20 40 60 80 100 120 140

(в)

(г)

(д)

I, отн. ед.

4600

4100

3600

3100

2600

600 20

I, отн. ед.

2600 2100 1600 600

I, отн. ед. 2600

2100

1600

1100

30

40

50

60

600

20

30

40

50

60

70

5 Н4

а,3 к

рузк2

70

70

Н = 36 GPa

йЕ = 340 GPa

/ 1111

2 4

а,

к3

узк гру2 а

На1

0

0 20 40 60 80 100 120 140

5 -

Н4 * 3 - //

а, к з2 - / /

у р £ 1 На // н= 26 GPa

Е = —1 1 1 254 GPa | |

20 40 60 80 100 120 140

- н = 13 GPa п

- Е = 177 GPa /I

| 1 1 1

20 40 60 80 100 120 140 Перемещение, нм

Рис. 1. Дифрактограммы и кривые нагружения—разгрузки индентора Берковича для покрытий, обладающих следующими структурами:

а, б — столбчатая; в — слабо выраженная столбчатая; г — кластерная; д — аморфная.

а 1

0

5

Режимы получения, параметры решетки и механические свойства исследуемых покрытий И1В2

Рисунок Потенциал смещения Температура подложки, °С Табличные параметры решетки Н, ГПа Е, ГПа

а с а/с

Монокристалл (001) НШ2 3.141 3.470 1.105 29.1 ± 0.9 [30] 584 ± 20 [30]

Рис. 1а +50 В До 100 3.179 3.560 1.104 44.0 ± 0.8 469 ± 18

Рис. 1б —50 В 500 3.179 3.511 1.104 41.2 ± 2.4 396 ± 11

Рис. 1в Земля 300 3.160 3.460 1.090 35.9 ± 5.4 340 ± 78

Рис. 1г —25 В 300 3.230 3.400 1.050 26.1 ± 5.0 254 ± 40

Рис. 1д —50 В До 100 1.0 12.6 ± 2.6 177 ± 26

ющих макронапряжений. При этом, нанотвердость пленок имела наибольшее значение ~48 ГПа. Таким образом, для пленок диборидов переходных металлов существует определенный энергетический диапазон, в котором формируются покрытия с оптимальными эксплуатационными характеристиками. При этом, пленки, обладающие данной структурой, имели наибольшее значени

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.

Показать целиком