книги / Изучение функциональных свойств многослойных пленок на основе двух- и трехкомпонентных нитридов тугоплавких металлов и их соединений с легкоплавкими металлами и неметаллами

и трибологическими свойствами TiN (ZrN) слоев позволит разрабатывать МП различного практического применения с градиентом структуры, состава и свойств.

Оптимальным комплексом ФМС, трибологических и коррозионных свойств обладает вновь разработанная многослойная Ti-•TiNп.с-TiNн.с•-TiNн.с пленка на основе двухкомпонентных поликристаллических и наноструктурированных слоев. Наноструктурированные TiNн.с слои в МП с объемными долями входящих фаз с-TiN (99,9 %), h-TiN0,3 (0,1 %) и оптималь-

ным комплексом ФМС: Н = 36 ГПа; Е = 387 ГПa; We = 64 %; H/E = 0,09; H3/E2 = 0,31 ГПa, Sотп = 0,94·105 мкм2; износостойких: Iпm = 3,54·10–5 мг·Н–1·м–1,

IпV = 0,08·10–4 мм3·Н–1·м–1, и антифрикционных: IкV = 0,18·10–8 мм3·Н–1·м–1,

f = 0,08 свойств формируются при оптимальных ТехП: Тс = (0,218…0,224) Тпл

= 3,7 К/мин.

Поликристаллические TiNп.с слои МП с объемными долями входя-

щих фаз: с-TiN (97,5…99,6 %), h-TiN0,3 (0,4…2,0 %) и Ti2N (0…1,5 %)

с градиентом структуры, состава и комплексом ФМС: Н = 26…32 ГПа;

Е = 306…549 ГПa; We = 52…62 %; H/E = 0,06…0,09; H3/E2 = 0,14…0,33 ГПa, Sотп = 2,94…9,23·105 мкм2; износостойких: Iпm = 4,16…8,63·10–5 мг·Н–1·м–1, IпV = 1,05…1,90·10–4 мм3·Н–1·м–1 и антифрикционных: IкV = 0,25…5,39·10–8

мм3·Н–1·м–1, f = 0,09…0,16 свойств формируются методом ЭДИ при незначительном повышении Тс и Vнагр.с до (0,224…0,230) Тпл и 3,9…4,4 К/мин, соответственно, относительно оптимальных ТемП.

Градиент свойств многослойной Ti-•TiNп.с-TiNн.с•-TiNн.с пленки без изменения ее элементного состава обеспечивается за счет управления ТехП и ТемП в процессе ее осаждения.

3.2. ИЗУЧЕНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ, ТРИБОЛОГИЧЕСКИХ,

КОРРОЗИОННЫХ ИАДГЕЗИОННЫХ СВОЙСТВМНОГОСЛОЙНЫХ ПЛЕНОК

НА ОСНОВЕ ТРЕХКОМПОНЕНТНЫХ TIХZr1–ХN СЛОЕВ

Физико-механические свойства многослойных пленок на основе трехкомпонентных TiхZr1–хN слоев зависят от фазового и элементного состава, строения и направления преимущественного кристаллографического ориентирования входящих фаз. Основной причиной изменения ФМС многослойных пленок на основе трехкомпонентных TiхZr1–хN слоев является изменение объемных долей и соотношения входящих в них фаз: с-TiZrN2, Zr3N4 и с-TiN; содержания Zr, соотношения CZr/CTi и показателя стехиометрии N/Ti+Zr (равен 1 для стехиометрического состава) (табл. 3.13, рис. 3.19).

71

Получение многослойных пленок на основе трехкомпонентных TiхZr1–хN слоев с заданным Е и Н возможно не только за счет изменения объемных долей входящих фаз, но и содержания Zr. TiхZr1–хN слои с Vс-TiN ≥ 80 % обладают невысокими ФМС, в то время как их улучшение

установлено для TiхZr1–хN слоев с VZr3N4 ≥ 80 %. Модуль Юнга Е и микротвердость Н повышаются с ростом в TiхZr1–хN слоях объемной доли

с-TiZrN2 фазы и достигает максимума Е = 250 ГПа и Н = 36 ГПа при

Vс-TiZrN2 ≥ 70 % и Zr ≥ 36 ат. %. Данное сочетание Н и Е способствует увеличению стойкости к упругой деформации Н/Е, стойкости разрушения

к пластической деформации Н3/Е2 и упругого восстановления We. Управление ФМС разработанных конструкций многослойных пле-

нок на основе TiхZr1–хN слоев осуществляется за счет изменения соотношения Zr3N4 и с-TiZrN2 фаз и содержания в слое циркония. Оптимальные ФМС соответствуют наноструктурированным TiхZr1–хN слоям стехиометрического состава с направлением преимущественного кристаллографического ориентирования с-TiZrN2 фаз (111) с содержанием Zr 36,11 ат. % и максимальным соотношением CZr/CTi = 2,6. Физико-механические свойства TiхZr1–хN слоев на основе с-TiN фазы с минимальным количеством фаз с-TiZrN2, Zr3N4 и содержанием в них Zr незначительно отличаются от TiN

слоев (рис. 3.20, а).

Рис. 3.20. Закономерности изменения функциональных свойств многослойных пленок на основе трехкомпонентных TiхZr1–хN слоев в зависимости от объемных долей входящих фаз и содержания в них Zr: а) ФМС; б) ИАС

Закономерности изменения износостойких Iпm , IпV ; антифрикционных f свойств, изнашиваюшей способности TiхZr1–хN слоев IкV по отноше-

нию к контртелу и адгезионной прочности (Sотп) в зависимости от фазового и элементного состава, модуля Юнга приведены на рис. 3.20, б, 3.21 и в табл. 3.14. На ИАС TiхZr1–хN слоев пленок влияют как объемные доли

75

и соотношение с-TiZrN2 и Zr3N4 фаз, содержание Zr, CZr/CTi, так и строение, структура и дефектность поверхности. С повышением Zr и CTi/CZr, уменьшением шероховатости поверхности и размера ОКР улучшаются не

только ФМС, но и ИАС TiхZr1–хN слоев (см. рис. 3.20, б).

Напряженные TiхZr1–хN слои с максимальными Vс-TiN ≥ 85 % и поверхностными 3D-образованиями с зернистой подструктурой, формируемые в низкотемпературных условиях МР с низкой степенью однородности нагрева подложки, обладают низкими ИАС. TiхZr1–хN слои с высоким содержанием с-TiZrN2 фазы обладают не только высокими ФМС, но и высокими ИАС.

аASTM=0,4441нм

Рис. 3.21. Трибологические свойства многослойных пленок на основе трехкомпонентных TiхZr1–хN слоев в зависимости от их: а, б) объемных долей входящих фаз; в, г) объемной доли с-TiZrN2 фазы, параметра КР и модуля Юнга; д, е) элементного состава; ж, з) показателя стехиометрии слоя, параметра КР и содержания Zr в слое; и, к) размера ОКР, параметра КР и модуля Юнга. Метод осаждения TiхZr1–хN слоя: а, в, д, ж, и) МР; б, г, е, з, к) ЭДИ и ЭДИ+МР (см. также с. 77)

76

Установлено влияние параметра КР и размера ОКР с-TiZrN2 фазы на трибологические свойства многослойных пленок на основе трехкомпонентных TiхZr1–хN слоев. Рост параметра КР, вызванный повышением объемной доли с-TiZrN2 фазы, содержания Zr в TiхZr1–хN слое и уменьшение размера ОКР приводят к улучшению ИАС TiхZr1–хN слоев.

Коррозионные свойства многослойных пленок на основе двухкомпонентных TiN (ZrN) слоев и трехкомпонентных TiхZr1–хN слоев в зависимости от их строения, фазового и элементного состава. Коррозион-

ным испытаниям подвергались многослойные пленки на основе двух- и трехкомпонентных слоев:

Ti-TiN-•Zr-ZrN•-•Zr-TiхZr1–хN•-TiхZr1–хN, (3.2)

Ti,Zr-ИБ*-•TiхZr1–хN-Ti,Zr-ИБ*•-TiхZr1–хN, (3.3)

TiМР-•TiNМР-ZrNЭДИ•-TiхZr1–хNМР+ЭДИ, (3.4)

TiЭДИ-•TiNМР-TiхZr1–хNМР+ЭДИ•-TiхZr1–хNМР+ЭДИ. (3.5)

Многослойные пленки (3.2)–(3.5) обладают различными стационарными значениями потенциалов коррозии: –0,13; –0,10; –0,38 и –0,12 В соответственно. Анодные поляризационные кривые представлены на рис. 3.22. Все кривые анодной поляризации однотипны: при малых поляризациях имеются участки с высоким наклоном, при более высоких поляризациях наблюдаются тафелевские зависимости с наклоном dE/dlgi = 0,16…0,18 В (i – плотность тока), при дальнейшем повышении поляризации появляются отклонения от тафелевского хода кривых. Аппроксимация графиков импеданса уравнением окружности позволяет определить низкочастотный предел импеданса – поляризационное сопротивление Rp (табл. 3.15), которое является мерой скорости коррозии.

Значения Rp показывают, что среди испытываемых МП наибольшей коррозионной стойкостью обладает конструкция (3.4), а наименьшей – конструкция (3.2). Импедансные данные находятся в согласии с результатами поляризационных измерений (см. табл. 3.4): наиболее высокому Rp для образца с МП конструкции (3.4) соответствует меньшая плотность тока коррозии iкор, а наиболее низкому Rp для образца с МП конструкции (3.2) – наиболее высокая iкор.

Полученные величины Rp и iкор (iкор ≤ 10–6 А/см2) свидетельствуют о довольно высокой коррозионной стойкости материалов исследуемых конструкций МП и могут быть объяснены оптимальным фазовым и эле-

80