Влияние концентрации азота в газовой смеси на структуру и свойства покрытий Zr–B–(N), полученных методом высокомощного импульсного магнетронного распыления

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.

1. Rau J.V., Ferro D., Falcone M.B., Generosi A., Rossi Albertini V., Latini A., Teghil R., Barinov S.M. Hardness of zirconium diboride films deposited on titanium substrates. Mater. Chem. Phys. 2008. Vol. 112. P. 504—509.

2. Magnuson M., Tengdelius L., Greczynski G., Hultman L., Högberg H. Chemical bonding in epitaxial ZrB2 studied by X-ray spectroscopy. Thin Solid Films. 2018. Vol. 649. P. 89—96.

3. Reich S., Suhr H., Hankó K., Szepes L. Deposition of thin films of zirconium and Hafnium Boride by plasma enhanced chemical vapor deposition. Adv. Mater. 1992. Vol. 4. P. 650—653.

4. Zhang M., Ma X., Yin J., Zhang Y., Zhang L., Zhou Y., Feng X., Li W., Wang X., Chen H., Zhang L., Yin L., Deng L. Experimental and theoretical modeling study on the infrared properties of ZrB2 thin film. Thin Solid Films. 2020. Vol. 709. Art. 138140.

5. 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. Protect. Met. Phys. Chem. Surf. 2018. Vol. 54. No. 6. Р. 1147—1156.

6. Tengdelius L., Broitman E., Lu J., Eriksson F., Birch J., Nyberg T., Hultman L., Högberg H. Hard and elastic epitaxial ZrB2 thin films on Al2O3 (0001) substrates deposited by magnetron sputtering from a ZrB2 compound target. Acta Mater. 2016. Vol. 111. P. 166—172.

7. Gao X.-H., Qiu X.-L., Li X.-T., Theiss W., Chen B.-H., Guo H.-X., Zhou T.-H., Liu G. Structure, thermal stability and optical simulation of ZrB2 based spectrally selective solar absorber coatings. Solar Energy Materials and Solar Cells. 2019. Vol. 193. P. 178—183.

8. Sun Y., Xiao X., Chai G., Xu G., Xiong B., Zhang, S. Microstructure, optical properties and thermal stability of ZrB2 and Zr—B—N thin films as high-temperature solar selective absorbers. Mater. Express. 2014. Vol. 4(3). P. 205—212.

9. Qiu X.-L., Gao X.-H., He C.-Y., Liu G. Optical design, thermal shock resistance and failure mechanism of a novel multilayer spectrally selective absorber coating based on HfB2 and ZrB2. Solar Energy Materials and Solar Cells. 2020. Vol. 211. Art. 110533.

10. Dong Y., Wang T.-G., Yan B., Qi H.-J., Guo Y.-Y., Xu S.-S. Study on the microstructure and mechanical properties of Zr—B—(N) tool coatings prepared by hybrid coating system. Proc. Manufact. 2018. Vol. 26. P. 806—817.

11. Ramana J.V., Kumar S., David C., Ray A.K., Raju V.S. Characterisation of zirconium nitride coatings prepared by DC magnetron sputtering. Mater. Lett. 2000. Vol. 43. P. 73—76.

12. Kiryukhantsev-Korneev Ph., Levashov E. Transparency effect in Zr—B—N coatings obtained by magnetron sputtering of ZrB2 target. Tech. Phys. Lett. 2020. Vol. 46. P. 179—181.

13. Übleis A., Mitterer C., Ebner R. Optical properties and corrosion behaviour of sputtered Zr—B and Zr—B—N coatings. Surf. Coat. Technol. 1993. Vol. 60. P. 571—576.

14. Meng Y., Song Z.X., Li Y.H., Qian D., Hu W., Xu K.W. Thermal stability of ultra thin Zr—B—N films as diffusion barrier between Cu and Si. Appl. Surf. Sci. 2020. Vol. 527. Art. 146810.

15. Holzschuh H. Deposition of Ti—B—N (single and multilayer) and Zr—B—N coatings by chemical vapor deposition techniques on cutting tools. Thin Solid Films. 2004. Vol. 469-470. P. 92—98.

16. Dong Y., Wang T., Guo Y., Li J., Wan W. Effect of N2-flow rate and annealing temperature on properties Zr—B—N nano-composite coatings. J. Vacuum Sci. Technol. 2018. Vol. 38(3). P. 214—220.

17. Deng Y., Chen W., Li B., Wang C., Kuang T., Li Y. Physical vapor deposition technology for coated cutting tools: A review. Ceram. Inter. 2020. Vol. 46. P. 18373—18390.

18. Kim H.T., Jung S.K., Lee S.-Y. Properties of ITO films deposited on paper sheets using a low-frequency (60 Hz) DC-pulsed magnetron sputtering method. Vacuum. 2021. Vol. 187. Art. 110056.

19. Chung C.K., Chen T.S., Chang N.W., Chang S.C., Liao M.W. Oxidation resistance and mechanical property of cosputtered quasi-amorphous Ta—Si—N films under vacuum rapid thermal annealing. Surf. Coat. Technol. 2020. Vol. 205. P. 1268—1272.

20. Sarakinos K., Alami J., Konstantinidis S. High power pulsed magnetron sputtering: A review on scientific and engineering state of the art. Surf. Coat. Technol. 2010. Vol. 204. P. 1661—1684.

21. Kiryukhantsev-Korneev Ph.V., Sheveyko A.N., Vorotilo S.A., Levashov E.A. Wear-resistant Ti—Al—Ni—C—N coatings produced by magnetron sputtering of SHS-targets in the DC and HIPIMS modes. Ceram. Inter. 2020. Vol. 46. No. 2. P. 1775—1783.

22. Ghailane A., Makha M., Larhlimi H., Alami J. Design of hard coatings deposited by HIPIMS and DCMS. Mater. Lett. 2020. Vol. 280. Art. 128540.

23. Ghailane A., Larhlimi H., Tamraoui Y., Makha M., Busch H., Fischer C.B., Alami J. The effect of magnetic field configuration on structural and mechanical properties of TiN coatings deposited by HIPIMS and DCMS. Surf. Coat. Technol. 2020. Vol. 404. Art. 126572.

24. Mitterer C., Uebleis A., Ebner R. Sputter deposition of wear resistant coatings within the system Zr—B—N. J. Mater. Sci. Eng. 1991. Vol. 140 (1-2). P. 670—675.

25. Kiryukhantsev-Korneev Ph. V., Sytchenko A.D. The influence of H, W, H/E, H3 /E2 , structure and chemical composition on the resistance of Ti—B—(N), Mo—B—(N), Cr—B—(N), and Zr—B—(N) coatings to cyclic impact loading. Protection of Metals and Physical Chemistry of Surfaces. 2020. Vol. 56. No. 6. P. 1190—1200.

26. Urgen M., Cakir A.F., Eryilmaz O.L., Mitterer C. Corrosion of zirconium boride and zirconium boron nitride coated steels. Surf. Coat. Technol. 1995. Vol. 71 (1). P. 60—66.

27. Kuznetsova T., Lapitskaya V., A. Khabarava A., Chizhik S., Warcholinski B., Gilewicz A. The influence of nitrogen on the morphology of ZrN coatings deposited by magnetron sputtering. Appl. Surf. Sci. 2020. Vol. 522. Art. 146508.

28. Liu Z.-J., Xing X.-J., Jiang X.-Y., Wang X., Zhang L., Jian X., Mu C.-H., Han T.-C., Lu H.-P., Zhang L.-B., Yin L.-J., Deng L.-J. Structural self-deterioration mechanism for zirconium diboride in an inert environment. Ceram. Inter. 2021. Vol. 47. Р. 18977—18983.

29. Mokgadi T.F., Madito M.J., Mlambo M., Skuratov V.A., Motloung S.V., Hlatshwayo T.T. Slow and swift heavy ions irradiation of zirconium nitride (ZrN) and the migration behaviour of implanted Eu. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. 2019. Vol. 461. P. 63—69.

30. Ben el Mekki M., Djouadi M.A., Guiot E., Mortet V., Pascallon J., Stambouli V., Bouchier D., Mestres N., Nouet G. Structure investigation of BN films grown by ion-beam-assisted deposition by means of polarised IR and Raman spectroscopy. Surf. Coat. Technol. 1999. Vol. 116-119. P. 93—99.

31. Zhong B., Zhang T., Huang X.X., Wen G.W., Chen J.W., Wang C.J., Huang Y.D. Fabrication and Raman scattering behavior of novel turbostratic BN thin films. Mater. Lett. 2015. Vol. 151. P. 130—133.

32. Pokropivny V., Kovrygin S., Gubanov V., Lohmus R., Lohmus A., Vesi U. Ab-initio calculation of Raman spectra of single-walled BN nanotubes. Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures. 2008. Vol. 40. P. 2339—2342.

33. Kiryukhantsev-Korneev Ph.V., Pierson J.F., Bychkova M.Ya., Manakova O.S., Levashov E.A., Shtansky D.V. Comparative study of sliding, scratching, and impact-loading behavior of hard CrB2 and Cr—B—N films. Tribol Lett. 2016. Vol. 63. Art. 44.

34. Yamauchi S., Do S. Raman spectroscopic study on the behavior of boric acid in wood. J. Wood Sci. 2003. Vol. 49. P. 227—234.

35. Zhao S., Zhao Y., Ran Y., Lu H., Guo Q., Gao C., Zhao Y., Yan W., Jiang Z., Wu H., Zhang D., Wang Z. Surface enhanced Raman scattering on ion-beam-deposited TiNx/Si substrates. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. 2020. Vol. 472. P. 24—31.

36. Li H., Yang B., Yu B., Huang N., Liu L., Lu J., Jiang X. Graphene-coated Si nanowires as substrates for surface-enhanced Raman scattering. Appl. Surf. Sci. 2021. Vol. 541. Art. 148486.

37. Wang X., Ji Y., Zhang M., Zhao Y., Chen Y., Zhao Z., Pan S., Wang H. Damage effects in 6H—SiC single crystals by Si&H dual ion irradiation: A combined Raman and XRD study. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. 2020. Vol. 485. P. 20—25.

38. Yu L., Zhao H., Xu J. Mechanical, tribological and corrosion performance of WBN composite films deposited by reactive magnetron sputtering. Appl. Surf. Sci. 2014. Vol. 315. P. 380—386.

39. Pat S., Şilik E., Musaoğlu C., Özen S., Mohammadigharehbagh R., Hakan Yudar H., Korkmaz Ş. Cubic BN thin film deposition by a RF magnetron sputtering. Vacuum. 2018. Vol. 157. P. 31—35.

40. Podgornik B., Kafexhiu F., Kosec T., Jerina J., Kalin M. Friction and anti-galling properties of hexagonal boron nitride (h-BN) in aluminium forming. Wear. 2017. Vol. 388-389. P. 2—8.

41. Rebholz C., Ziegele H., Leyland A., Matthews A. Structure, mechanical and tribological properties of Ti—B—N and Ti—Al—B—N multiphase thin films produced by electron-beam evaporation. J. Vacuum Sci. Technol. A. 1998. Vol. 16. P. 2851—2857.

42. 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.