Влияние никеля на структуру и свойства адаптивных износостойких arc-PVD покрытий Ti–Al–Mo–N

Проведены сравнительные исследования структурных характеристик и функциональных свойств покрытий Ti–Al–Mo–N и Ti–Al–Mo–Ni–N,  полученных методом ионно-плазменного вакуумно-дугового осаж дения, с целью изучения влияния наноструктурирующей добавки никеля. Покрытия характеризовались слоистой архитектурой с чередованием слоев нитридов  титана и молибдена. Концентрация молибдена составляла порядка 22 ат.%, никеля – 7 ат.%, что отвечает оптимальным количествам для наилучших прочностных и трибологических свойств. Показано, что при введении никеля происходит снижение периода модуляции покрытия с 60 до 30 нм с одновременным повышением твердости с 37 до 45 ГПа. При этом увеличивается вязкость разрушения покрытий, о которой судили по относительной работе пластического деформирования и параметрам H/E, H ³/E ². Добавка пластичного никеля в структуру твердого нитридного покрытия способствовала уменьшению уровня сжимающих макронапряжений в материале от –2,25 до –0,58 ГПа, что, однако, не приводило к снижению твердости и трещиностойкости, как было  показано в ходе  испытаний по измерительному царапанию. Сделан вывод о том,  что фактором, определяющим физико-механические характеристики покрытия, является не  макронапряженное состояние, а измельчение зеренной структуры материала покрытия. Введение никеля положительно сказывается на жаростойкости покрытия, которое успешно защищает материал подложки от окисления при  температурах до  700°C, что может быть  обусловлено вероятностью образования Ni-содержащих оксидов NiMoO₄ и NiTiO₃ на поверхности. При этом их появление, разрушение и действие в качестве абразивных частиц могут быть причиной изменения механизма изнашивания при трении в условиях высоких температур.

1. Аникин В.Н., Блинков И.В., Волхонский А.О., Соболев Н.А., Кратохвил Р.В., Фролов А.Е., Царева С.Г. Ионно-плазменные покрытия Ti—Al—N на режущем твердосплавном инструменте, работающем в условиях постоянных и знакопеременных нагрузок. Изв. вузов. Порошк. металлургия и функц. покрытия. 2009. No. 1. С. 44—52.

2. Tian B., Yue W., Fu Z., Gu Y., Wang C., Liu J. Surface properties of mo-implanted PV D TiN coatings using MEV VA source. Appl. Surf. Sci. 2013. Vol. 280. P. 482—488.

3. Tomaszewski L., Gulbinski W., Urbanowicz A., Suszko T., Lewandowski A., Gulbinski W. TiAlN based wear resistant coatings modified by molybdenum addition. Vacuum. 2015. Vol. 121. P. 223—229.

4. Yang K., Xian G., Zhao H., Fan H., Wang J., Wang H., Du H. Effect of Mo content on the structure and mechanical properties of TiAlMoN films deposited on WC—Co cemented carbide substrate by magnetron sputtering. Int. J. Refract. Met. Hard. Mater. 2015. Vol. 52. P. 29—35.

5. Sergevnin V.S., Blinkov I.V., Volkhonskii A.O., Belov D.S., Kuznetsov D.V., Gorshenkov M.V., Skryleva E.A. Wear behaviour of wear-resistant adaptive nano-multilayered Ti—Al—Mo—N coatings. Appl. Surf. Sci. 2016. Vol. 388. P. 13—23.

6. Sergevnin V.S., Blinkov I.V., Belov D.S., Smirnov N.I., Volkhonskii A.O., Kuptsov K.A. Wear and erosion of arc-PVD multilayer Ti—Al—Mo—N coatings under various conditions of friction and loading. Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2018. Vol. 98. P. 593—601.

7. Akbari A., Riviere J.P., Templier C., Bourhis E.L. Structural and mechanical properties of IBAD deposited nanocomposite Ti—Ni—N coatings. Surf. Coat. Technol. 2006. Vol. 200. P. 6298—6302.

8. Akbari A., Templier C., Beaufort M. Ion beam assisted deposition of TiN—Ni-nanocomposite coatings. Surf. Coat. Technol. 2011. Vol. 206. P. 972—975.

9. Kumar M., Mishra S., Mitra R. Effect of Ar: N2 ratio on structure and properties of Ni—TiN nanocomposite thin films processed by reactive RF/DC magnetron sputtering. Surf. Coat. Technol. 2013. Vol. 228 . P. 100—114.

10. Pagon A.M., Doyle E.D., McCulloch D.G. The microstructure and mechanical properties of TiN—Ni in nanocomposite thin films. Surf. Coat. Technol. 2013. Vol. 235. P. 394—400.

11. Belov D.S., Blinkov I.V., Volkhonskii A.O. The effect of Cu and Ni on the nanostructure and properties of arc-PV D coatings based on titanium nitride. Surf. Coat. Technol.2014. Vol. 260. P. 186—197.

12. Sergevnin V.S., Blinkov I.V., Volkhonskii A.O., Belov D.S., Chernogor A.V. Structure formation of adaptive arc-PV D Ti—Al—Mo—N and Ti—Al—Mo—Ni—N coatings and their wear-resistance under various friction conditions. Surf. Coat. Technol. 2019. Vol. 376. P. 38—43. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2018.09.068.

13. Valvoda V., Kuzel R.Jr, Cerny R., Rafaja D., Musil J., Kadlec C., Perry A.J. Structural analysis of tin films by Seemann-Bohlin X-ray diffraction. Thin Solid Films. 1990. Vol. 193—194. P. 401—408.

14. Nezu A., Matsuzaka H., Yokoyama R. A current perspective of the state-of-the-art in stress analysis. Rigaku J. 2014. Vol. 30. Iss. 2. P. 4—12.

15. Perry A.J. X-ray residual stress measurement in TiN, ZrN and Hf N films using the Seemann-Bohlin method. Thin Solid Films. 1992. Vol. 214. P. 169—174.

16. Zhou Y., Asaki R., Soe W.-H., Yamamoto R., Chen R., Iwabuchi A. Hardness anomaly, plastic deformation work and fretting wear properties of polycrystalline TiN/CrN multilayers. Wear. 1999. Vol. 236. P. 159—164.

17. Oliver W.C., Pharr G.M. An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments. J. Mater. Res. 1992. Vol. 7. P. 1564—1583.

18. ISO/FDIS14577-1. Metallic materials — Instrumented indentation test for hardness and materials parameters. 2002.

19. Mathia T.G., Lamy B. Sclerometric characterization of nearly brittle materials. Wear. 1986. Vol. 108. P. 385—399.

20. Leyland A., Matthews A. On the significance of the H/E ratio in wear control: a nanocomposite coating approach to optimised tribological behavior. Wear. 2000. Vol. 246. P. 1—11.

21. Lawn B.R., Wilshaw T.R. Indentation fracture: principles and applications. J. Mater. Sci. 1975. Vol. 10. P. 1049—1081.

22. Evans A.G., Wilshaw T.R. Quasi-static solid particle damage in brittle solids. I. Observations analysis and implications. Acta Met. 1976. Vol. 24. P. 939—956.

23. Tsui T.Y., Pharr G.M., Oliver W.C., Bhatia C.S., White R.L., Anders S., Anders A., Brown I.G. Nanoindentation and nanoscratching of hard carbon coatings for magnetic disks. Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 1995. Vol. 383. P. 447—452.

24. Андреева В.В., Казарин В.И. Новые конструкционные химически стойкие металлические материалы. М.: Госхимиздат, 1961.