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

ментным составом, толщиной, минимальной дефектностью, высокой плотностью и инертностью к 5%-ному раствору NaOH. Основной причиной значительного различия величин iкор и Rp для МП исследуемых конструкций с одинаковым материалом верхнего TiхZr1–хN слоя не может служить метод его получения, в связи с тем, что он был одним и тем же для конст-

рукций (3.4) и (3.5).

Рис. 3.22. Анодные поляризационные кривые образца из ВК8 с МП следующих конструкций: (1); (2); (3); ο (4)

Таблица 3 . 1 5 Результаты коррозионных испытаний тестовых образцов с МП

Одной из причин изменения iкор и Rp могли послужить локальные несплошности верхнего слоя МП, являющиеся следствием свойственных для ионно-плазменных методов неравновесных условий ее формирования. В связи с наличием локальных несплошностей на коррозионное поведение МП в некоторой степени может влиять слой, расположенный под верхним слоем.

Различия методов осаждения верхнего слоя и фазового состава слоев МП, в свою очередь, могут привести к различиям адсорбции кислорода, ингибирующей электродные процессы на поверхности МП в растворе электролита. Хемосорбция кислорода вызывает повышение энергии акти-

81

вации электродного процесса, что, в свою очередь, приводит к значительному снижению константы скорости переноса заряда вследствие экспоненциальной функциональной зависимости между энергией активации и константой скорости.

Сравнение коррозионной стойкости многослойных пленок на основе двухкомпонентных TiN (ZrN) и трехкомпонентных TiхZr1–хN слоев и однослойных TiN (ZrN) пленок (см. табл. 3.6 и табл. 3.15) показывает, что многослойные пленки не превосходят простые нитриды по защитным свойствам. Причина незначительно худших коррозионных свойств TiхZr1–хN слоев заключается в большей их восприимчивости к окислению по сравнению с TiN (ZrN) слоями. Электрохимическое окисление TiхZr1–хN слоев приводит к образованию смешанного слоя оксинитридов Ti(N, O) + Zr(N,O) в нижней части диапазона возможных потенциалов (до 1,1 В), тогда как при более высоких потенциалах возможно образование слоя смешанного оксида TiO2 + ZrO2, который по-прежнему включает в себя определенное количество N2, выделяемого в процессе трансформации оксинитрида [97].

3.3. ИЗУЧЕНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ, ТРИБОЛОГИЧЕСКИХ,

КОРРОЗИОННЫХ И АДГЕЗИОННЫХ СВОЙСТВ МНОГОСЛОЙНЫХ ПЛЕНОК

НА ОСНОВЕ ТРЕХКОМПОНЕНТНЫХ TI1–ХAlХN СЛОЕВ

Напряженные Ti1–хAlхN слои, формируемые в температурном интервале Тнач.с = 0,139Тпл с Vнагр.с = 0,1…0,6 К/мин, на основе двухкомпонентного c-TiN и комплексного нитрида c-Ti3AlN с глобулярной подструктурой, минимальными: содержанием Al 8,49...9,55 ат. %, термической стабильностью и степенью текстурированности Т = 0,2…0,4, многокомпонентной текстурой обладают невысокими ФМС (рис. 3.23, а, рис. 3.24 и табл. 3.16).

Превышение объемной доли тройного нитрида с однокомпонентной текстурой (105) h-Ti2AlN 67,2 %, достижение содержания Al 23,81 ат. %, вызванное смещением процесса формирования Ti1–хAlхN слоев в область более высоких температур Тнач.с = 0,141Тпл с Vнагр.с = 0,4 К/мин, приводит к улучшению их физико-механических свойств (см. рис. 3.23, а). Комплексом высоких износостойких и антифрикционных свойств обладают Ti1–хAlхN слои с максимальными: объемной долей (105) h-Ti2AlN фазы 95,9 %, содержанием Al = 26,58 ат. %, термической стабильностью Еп = 31,6 эВ и Т = 0,8, а также минимальными: размером ОКР = 21 нм, дефектностью поверхности и однокомпонентной текстурой обладают высокими ИАС

(см. рис. 3.23, б, рис. 3.24 и табл. 3.16).

82

содержания Al в слое до 26,05 ат. %, степени текстурированности до 0,7, изменением типа текстуры поликристаллического Ti1–хAlхN слоя до (103) + (107) h-Ti3Al2N2 и уменьшением размера ОКР. Установленные изменения в Ti1–хAlхN слое сопровождаются улучшением всех ФМС (рис. 3.25, а, 3.26 и см. табл. 3.16). Незначительное влияние Al оказывает только на стойкость Ti1–хAlхN слоя к упругой деформации разрушения Н/Е, в связи с тем, что величины Н и E с ростом Al синхронно повышаются (см. рис. 3.26 и табл. 3.16).

а

б

Рис. 3.25. Функциональные свойства Ti1–хAlхN слоев на основе тройного нитрида Ti3Al2N2 в зависимости от их фазового и элементного состава: а) ФМС; б) ИАС

87

Таким образом, значение Eп является функцией фазового и элементного состава Ti1–хAlхN слоев. Рост Еп увеличивает термостойкость Ti1–хAlхN слоя и способствует сохранению ФМС. Низкий модуль Е также является желательным, так как он позволяет заданной нагрузке распределяться на более широкой области. Очень важным обнаружением является тот факт, что Ti1–хAlхN слои с одинаковой твердостью могут иметь различные значения Еп, легко изменяемые содержанием Al и объемной долей тройных нитридов. Указанные зависимости делают возможным контроль устойчивости Ti1–хAlхN слоя к пластической деформации, которая пропорциональна отношению H3/E2, и формирование высокоэффективных Ti1–хAlхN слоев с регулируемыми ФМС: микротвердостью Н, модулем Юнга E, упругим восстановлением We. С увеличением содержания Al в Ti1–хAlхN слоях в интервале х = 0,11…0,40 и приближением ее состава к стехиометрическому, повышением объемных долей h-Ti2AlN фазы или h-Ti3Al2N2 фазы (в зависимости от ТемП осаждения) все ФМС улучшаются.

При отклонении ТехП и ТемП от оптимальных ФМС Ti1–хAlхN слоя ухудшаются: Н уменьшается, Е увеличивается, в итоге ухудшается сопротивляемость слоя к упругой деформации разрушения и сопротивляемость пластической деформации.

При постоянном содержании Al в Ti1–хAlхN слое, но при повышении в нем соотношения концентраций Al и Тi (CAl/CTi) и уменьшении содержания в нем N2 все трибологические свойства улучшаются (табл. 3.17). Данный факт по результатам химического анализа объясняется приближением состава Ti1–хAlхN слоя к стехиометрическому. Оптимальное содержание Al

в Ti1–хAlхN слое – х = 0,4 (см. рис. 3.26).

Сравнение значений m, Iпm , IпV , IкV , Vк, f и Мтр показывает, что

Ti1–хAlхN слои с наименьшим размером ОКР, большими VTi3Al2N2 и Еп при примерно одинаковой концентрации в них Al по сравнению с Ti1–хAlхN

слоями на основе h-Ti2AlN фазы обладают лучшими трибологическими свойствами (см. рис. 3.26 и см. табл. 3.17).

Коррозионные свойства многослойных пленок на основе трехкомпонентных Ti1–хAlхN слоев в зависимости от их строения, фазового и элементного состава. Коррозионным испытаниям подвергались Ti1–хAlхN слои, сформированные МР в соответствии с оптимальными ТехП. Катодные кривые поляризации сплава ВК8 в 5%-ном растворе NaOH, лежащие отрицательнее потенциала –0,4 В, отвечают процессу кислородной деполяризации (рис. 3.27). На образце без Ti1–хAlхN слоя ток растворения с увеличением потенциала выше –0,4 В стремительно растет, достигает критической

90