Младший научный сотрудник Научно-учебного центра СВС МИСиС–ИСМАН (НУЦ СВС)
119991, г. Москва, Ленинский пр-т, 4
Junior research scientist, Scientific-Educational Center of SHS, MISIS–ISMAN
119991, Moscow Leninskii pr., 4
Магистрант кафедры порошковой металлургии и функциональных покрытий (ПМиФП)
119991, г. Москва, Ленинский пр-т, 4
Master student, Department of powder metallurgy and functional coatings (PM&FC), NUST «MISIS»
119991, Moscow Leninskii pr., 4
Кандидат технических наук, доцент кафедры ПМиФП, заведующий лабораторией «In situ диагностика структурных превращений НУЦ СВС МИСиС–ИСМАН
119991, г. Москва, Ленинский пр-т, 4
Cand. Sci. (Eng.), Associate prof., Department of PM&FC; Head of the laboratory «In situ diagnostics of structural transformations» of Scientific-Educational of Center SHS, MISIS–ISMAN
119991, Moscow Leninskii pr., 4
Методом высокомощного импульсного магнетронного распыления (HIPIMS) были получены покрытия системы Zr–B–N в газовых средах Ar, Ar + 15%N2 и N2 с использованием СВС-мишени ZrB2. Распыление проводилось при следующих параметрах: средняя мощность – 1 кВт, пиковая мощность – 70 кВт, пиковый ток – 130 А, частота – 100 Гц, длительность импульса – 200 мкс. Рабочее давление в вакуумной камере составляло 0,1–0,2 Па, расстояние между подложкой и мишенью – 80 мм, время осаждения покрытий – 40 мин. В качестве подложек использовались стекло, кремний и быстрорежущая сталь. В целях сравнения эффективности процесса HIPIMS покрытия наносились также методом магнетронного распыления на постоянном токе (DCMS) при средней мощности 1 кВт. Состав и структура покрытий исследовались методами сканирующей электронной микроскопии, оптической эмиссионной спектроскопии тлеющего разряда, спектроскопии комбинационного рассеяния света, инфракрасной спектроскопии и рентгенофазового анализа. Изучены механические, трибологические и оптические свойства покрытий Zr–B–N, а также стойкость к ударно-динамическим воздействиям. Все полученные покрытия характеризовались плотной структурой и отсутствием столбчатых зерен. С помощью спектроскопических структурных исследований покрытий было выявлено, что при осаждении в реакционной среде образуется фаза BN, которая оказывает существенное влияние на микроструктуру и характеристики покрытий. Показано, что увеличение концентрации азота в газовой смеси при осаждении покрытий Zr–B–N приводит к повышению оптического коэффициента пропускания покрытий до 97 %, стойкости к циклическим ударно-динамическим нагрузкам на 40 % и снижению начального коэффициента трения на 60 %. Выявлено, что максимальными твердостью (19 ГПа) и модулем упругости (221 ГПа) обладает нереакционное покрытие.
In this work, Zr–B–N coatings were obtained by the method of high-power impulse magnetron sputtering (HIPIMS) in Ar, Ar + 15%N2, and N2 gaseous media using a ZrB2 SHS target. Sputtering was carried out at the following parameters: medium power of 1 kW, peak power of 70 kW, peak current of 130 A, frequency of 100 Hz, pulse duration of 200 μs. The working pressure in the vacuum chamber was 0.1–0.2 Pa, the distance between the substrate and the target was 80 mm, and the coating deposition time was 40 minutes. Glass, silicon, and high-speed steel were used as substrates. For comparison with the HIPIMS method, the coatings were also applied by direct current magnetron sputtering (DCMS) at an average power of 1 kW. The composition and structure of the coatings were studied by scanning electron microscopy (SEM), glow discharge optical emission spectroscopy (GDOES), Raman spectroscopy, Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), and X-ray diffraction (XRD) analysis. The mechanical, tribological and optical properties of Zr–B–N coatings, as well as resistance to impact dynamic loading, were studied. All coatings were characterized by a dense structure and the absence of columnar grains. With the help of spectroscopic structural studies of coatings, it was revealed that during deposition in a reaction medium, the BN phase is formed, which has a significant effect on the microstructure and characteristics of the coatings. An increase in the nitrogen concentration in the gas mixture during the deposition of Zr–B–N coatings led to an increase in the optical transmittance of the coatings up to 97 %, resistance to cyclic impact dynamic loads by 40 %, and a decrease starting value of friction coefficient by 60 %. The non-reactive coating had a maximum hardness of 19 GPa and an elastic modulus of 221 GPa.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.