Механические свойства и жаростойкость покрытий системы Ta-Zr-Si-B-C-N, полученных при магнетронном распылении мишени TaZrSiB в средах Ar, N2 и C2H4
https://doi.org/10.17073/1997-308X-2020-2-64-72
Аннотация
Методом магнетронного напыления в средах аргона, азота и этилена получены покрытия системы Ta-Zr-Si-B-C-N. Структура покрытий исследована с применением методов растровой электронной микроскопии, энергодисперсионного и рентгенофазового анализа. Механические свойства покрытий определены путем наноиндентирования. Трибологические испытания проведены с помощью автоматизированной машины трения Tribometer при нагрузке 1 Н. Дорожки износа исследованы на оптическом профилометре. Исследована жаростойкость покрытий при температуре 1000 °С. Установлено, что наибольшей твердостью (30 ГПа) и упругим восстановлением (79 %) обладают покрытия, нанесенные в аргоне. Кроме того, они могут сопротивляться окислению до температуры 1000 °С включительно, что было обусловлено формированием на их поверхности защитной пленки, состоящей из оксидов кремния и тантала. Реакционные покрытия, нанесенные в азоте, уступали нереакционным покрытиям по жаростойкости, полностью окисляясь уже при 1000 °С. Однако они имели низкий коэффициент трения - менее 0,15.
Об авторах
Ф. В. Кирюханцев-Корнеев
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»
Россия
Россия
Кандидат технических наук, доцент кафедры порошковой металлургии и функциональных покрытий (ПМиФП), ведущий научный сотрудник Научно-учебного центра (НУЦ) СВС МИСиС-ИСМАН.
А. Д. Сытченко
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»
Россия
Россия
Инженер НУЦ СВС МИСиС-ИСМАН.
119049, Москва, Ленинский пр-т, 4.
А. Е. Левашов
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»
Россия
Россия
Доктор технических наук, академик РАЕН, профессор, директор НУЦ СВС МИСиС-ИСМАН, заведующий кафедрой ПМиФП НИТУ «МИСиС».
119049, Москва, Ленинский пр-т, 4.
Т. A. Лобова
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»
Россия
Россия
Доктор технических наук, профессор, ведущий эксперт кафедры цветных металлов и золота НИТУ «МИСиС».
119049, Москва, Ленинский пр-т, 4.
Список литературы
1. Nose M., Kawabata T., Watanuki T., Ueda S., Fujii K., Matsuda K., Ikeno S. Mechanical properties and oxidation resistance of CrAlN/BN nanocomposite coatings prepared by reactive dc and rf cosputtering. Surf. Coat. Technol. 2011. Vol. 205. P. S33—S37.
2. Paternoster C., Fabrizi A., Cecchini R., Spigarelli S., Kiryukhantsev-Korneev Ph.V., Sheveyko A. Thermal evolution and mechanical properties of hard Ti—Cr—B—N and Ti—Al—Si—B—N coatings. Surf. Coat. Technol. 2008. Vol. 203. P. 736—740.
3. Hultman L. Thermal stability of nitride thin films. Vacuum. 200. Vol. 57. P. 1—30.
4. Musil J., Daniel R., Soldan J., Zeman P. Properties of reactively sputtered W—Si—N films. Surf. Coat. Technol. 2006. Vol. 200. P. 3886—3895.
5. Lu-Steffes O.J., Sakidja R., Bero J., Perepezko J.H. Multicomponent coating for enhanced oxidation resistance of tungsten. Surf. Coat. Technol. 2012. Vol. 207. P. 614— 619.
6. Кирюханцев-Корнеев Ф.В., Шевейко А.Н., Комаров В.А., Блантер М.С., Скрылёва Е.А., Ширманов Н.А., Левашов Е.А., Штанский Д.В. Наноструктурные покрытия Ti—Cr—B—N и Ti—Cr—Si—C—N для твердосплавного режущего инструмента. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2010. No. 2. С. 39—47.
7. Shtansky D.V., Kiryukhantsev-Korneev Ph.V., Sheveyko A.N., Mavrin B.N., Rojas C., Fernandez A., Levashov E.A. Comparative investigation of TiAlC(N), TiCrAlC(N), and CrAlC(N) coatings deposited by sputtering of МАХ-phase Ti2-хCrхAlC targets. Surf. Coat. Technol. 2009. Vol. 203. P. 3595—3609.
8. Shtansky D.V., Kuptsov K.A., Kiryukhantsev-Korneev Ph.V., Sheveiko A.N. Fernandez A., Petrzhik M.I. Comparative investigation of Al- and Cr-doped TiSiCN coatings. Surf. Coat. Technol. 2011. Vo1. 205. P. 4640—4648.
9. Kuptsov K.A., Kiryukhantsev-Korneev Ph.V., Sheveyko A.N., Shtansky D.V Surface modification of TiAlSiCN coatings to improve oxidation protection. Appl. Surf. Sci. 2015. Vo1. 347. P. 713—718.
10. Musil J., Zeman P. Hard a-Si3N4/MeNx nanocomposite coatings with high therma1 stabi1ity and high oxidation resistance. Solid State Phenomena. 2007. Vo1. 127. P. 31—36.
11. Kiryukhantsev-Korneev Ph.V., Pierson J.F., Kuptsov K.A., Shtansky D.V Hard Cr—Al—Si—B—(N) coatings deposited by reactive and non-reactive magnetron sputtering of CrAlSiB target. Appl. Surf Sci. 2014. Vol. 314. P. 104—111.
12. Kiryukhantsev-Korneev Ph.V., Lemesheva M.V., Shvyndina N.V., Levashov E.A., Potanin A.Yu. Structure, mechanical properties, and oxidation resistance of ZrB2, ZrSiB, and ZrSiB/SiBC coatings. Protection of Metals and Physical Chemistry of Surfaces. 2018. Vol. 54. P. 1147— 1156.
13. Кирюханцев-Корнеев Ф.В., Шевейко А.Н., Левашов Е.А., Штанский Д.В. Исследование тонких покрытий в системе Si—B—C—N, полученных с помощью магнетронного распыления мишеней SiBC. Известия вузов. Цветная металлургия. 2015. No. 4. С. 55—62.
14. Vlcek J., Hreben S., Kalas J., Capek J., Zeman P., Cerstvy R. Magnetron sputtered Si—B—C—N films with high oxidation resistance and thermal stability in air at temperatures above 1500 °C. J. Vacuum Sci. Technol. A. 2008. Vol. 26. P. 1101—1108.
15. Zeman P, Capek J., Cerstvy R, Vlcek J. Thermal stability of magnetron sputtered Si—B—C—N materials at temperatures up to 1700 °C. Thin Solid Films. 2010. Vol. 519. P. 306—311.
16. He J., Zhang M., Jiang J., Vlcek J., Zeman P., Steidl P., Me-letis E.L. Microstructure characterization of high-temperature, oxidation-resistant Si—B—C—N films. Thin Solid Films. 2013. Vol. 542. P. 167—173.
17. Zhestkov B.E., Terent'eva V.S. Multifunctional coating MAI D5 intended for the protection of refractory materials. Russ. Metallurgy (Metally). 2010. Vol. 1. P. 33—40.
18. Kiryukhantsev-Korneev Ph.V., Iatsyuk I.V., Shvindina N.V., Levashov E.A., Shtansky D.V. Comparative investigation of structure, mechanical properties, and oxidation resistance of Mo—Si—B and Mo—Al—Si—B coatings. Corr. Sci. 2017. Vol. 123. P. 319—327.
19. Shon I.-J, Ko I.-Y, Chae S.-M., Na K. Rapid consolidation of nanostructured TaSi2 from mechanochemically synthesized powder by high frequency induction heated sintering. Ceram. Int. 2011. Vol. 37. P. 679—682.
20. Li X., Feng J., Jiang Y., Lin H., Feng J. Preparation and properties of TaSi2—MoSi2—ZrO2-borosilicate glass coating on porous SiCO ceramic composites for thermal protection. Ceram. Int. 2018. Vol. 44. P. 19143— 19150.
21. Xu J., Zhang S.K., Lu X.L., Jiang S., Munroe P., Xie Z.-H. Effect of Al alloying on cavitation erosion behavior of TaSi2 nanocrystalline coatings. Ultrasonics Sonochemistry. 2019. Vol. 59. No. 104742.
22. Peng F., Speyer R.F. Oxidation resistance of fully dense ZrB2 with SiC, TaB2, and TaSi2 additives. J. Amer. Ceram. Soc. 2008. Vol. 91. P. 1489—1494.
23. Mansour A.N. Effect of temperature on microstructure and electrical properties of TaSi2 thin films grown on Si substrates. Vacuum. 2011. Vol. 85. P. 667—671.
24. Niu Y, Huang L, Zhai C, Zeng Y, ZhengX., Ding C. Microstructure and thermal stability of TaSi2 coating fabricated by vacuum plasma spray. Surf. Coat. Technol. 2015. Vol. 279. P. 1—8.
25. Schultes G., Schmitt M., Goettel D., Freitag-Weber O. Strain sensitivity of TiB2, TiSi2, TaSi2 and WSi2 thin films as possible candidates for high temperature strain gauges. Sensors and Actuators A: Physical. 2006. Vol. 126. P. 287—291.
26. Inui H., Fujii A., Hashimoto T., Tanaka K., Yamaguchi M., Ishizuk K. Defect structures in TaSi2 thin films produced by co-sputtering. Acta Mater. 2003. Vol. 51. P. 2285— 2296.
27. Liu F., Li H., Gu S., Yao X., Fu Q. Ablation behavior and thermal protection performance of TaSi2 coating for SiC coated carbon/carbon composites. Ceram. Int. 2019. Vol. 45. P. 3256—3262.
28. Chung C.K., Chen T.S. Effect of Si/Ta and nitrogen ratios on the thermal stability of Ta—Si—N thin films. Microelectronic Eng. 2010. Vol. 87. P. 129—134.
29. Chung C.K., Chen T.S., Peng C.C., Wu B.H. Thermal stability of Ta—Si—N nanocomposite thin films at different nitrogen flow ratios. Surf. Coat. Technol. 2006. Vol. 201. P. 3947—3952.
30. Fang J.-S., Su W.-J., Huang M.-S., Chiu C.-F., Chin T.-S. Characteristics of plasma-treated amorphous Ta—Si—C film as a diffusion barrier for copper metallization. J. Electronic Mater. 2014. Vol. 43. P. 212—218.
31. Zeman P., Musil J., Daniel R. High-temperature oxidation resistance of Ta—Si—N films with a high Si content. Surf. Coat. Technol. 2006. Vol. 200. P. 4091—4096.
32. Shtansky D.V., Sheveyko A.N., Sorokin D.I., Lev L.C., Mavrin B.N., Kiryukhantsev-Korneev Ph.V. Show more Structure and properties of multi-component and multilayer TiCrBN/WSex coatings deposited by sputtering of TiCrB and WSe2 targets. Surf. Coat. Technol. 2008. Vol. 202. P. 5953—5961.
33. Kiryukhantsev-Korneev Ph.V., Sheveyko A.N., Lemesheva M., Rupasov S.I., Levashov E.A. Investigation of Si— B—C—N coatings produced by ion sputtering of SiBC target. Protection of Metals and Physical Chemistry of Surfaces. 2017. Vol. 53. P. 873—878.
34. Yoon J.-K., Kim G.-H., Kim H.-S., Shon I.-J., Kim J.-S., Doh J.-M. Microstructure and oxidation behavior of in situ formed TaSi2—Si3N4 nanocomposite coating grown on Ta substrate. Intermetallics. 2008. Vol. 16. P. 1263—1272.
35. Musil J., Zeman P., Baroch P. Hard nanocomposite coatings. Comprehensive Mater. Process. 2014. Vol. 4. P. 325— 353.
36. Ren Y., Qian Y., Xu J., Zuo J., Lia M. Ultra-high temperature oxidation resistance of ZrB2—20SiC coating with TaSi2 addition on siliconized graphite. Ceram. Int. 2019. Vol. 45. P. 15366—15374.
37. Shtansky D.V., Lyasotsky I.V, D'yakonova N.B, Kiryukhantsev-Korneev F.V., Kulinich S.A., Levashov E.A., Moore J.J. Comparative investigation of Ti—Si—N films magnetron sputtered using Ti5Si3 + Ti and Ti5Si3 + TiN targets. Surf. Coat. Technol. 2004. Vol. 182. P. 204—214.
38. Bondarev A.V., Vorotilo S., Shchetinin I.V., Levashov E.A., Shtansky D.V. Fabrication of Ta—Si—C targets and their utilization for deposition of low friction wear resistant nanocomposite Si—Ta—C—(N) coatings intended for wide temperature range tribological applications. Surf. Coat. Technol. 2019. Vol. 359. P. 342—353.
Рецензия
Для цитирования:
Кирюханцев-Корнеев Ф.В., Сытченко А.Д., Левашов А.Е., Лобова Т.A. Механические свойства и жаростойкость покрытий системы Ta-Zr-Si-B-C-N, полученных при магнетронном распылении мишени TaZrSiB в средах Ar, N2 и C2H4. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2020;(2):64-72. https://doi.org/10.17073/1997-308X-2020-2-64-72
For citation:
Kiryukhantsev-Korneev P.V., Sytchenko A.D., Levashov A.E., Lobova T.A. Mechanical properties and oxidation resistance of coatings in the Ta-Zr-Si-B-C-N system obtained by magnetron sputtering of a TaZrSiB target in an Ar, N2, and C2H4 atmosphere. Powder Metallurgy аnd Functional Coatings. 2020;(2):64-72. (In Russ.) https://doi.org/10.17073/1997-308X-2020-2-64-72
Просмотров: 473
Послать статью по эл. почте 