Структура и свойства покрытий Mo–Hf–Si–B, полученных методом магнетронного распыления с использованием мозаичной мишени MoSiB/Hf

Покрытия Mo–Si–B и Mo–Hf–Si–B были получены методом магнетронного распыления керамической мишени MoSiB, оснащенной 2 или 4 сегментами Hf. Их структура и состав исследовались методами сканирующей электронной микроскопии, энергодисперсионной спектроскопии, рентгенофазового анализа и спектроскопии комбинационного рассеяния света. Механические свойства определялись путем наноиндентирования при нагрузке 4 Н. Трещиностойкость покрытий исследовалась на микротвердомере при нагрузках 0,25–1,0 Н. Кинетика окисления изучалась при температуре 1000 °С на воздухе с суммарной выдержкой 300 мин. Жаростойкость покрытий определялась в результате кратковременных отжигов при температуре 1500 °С. Электрохимические испытания проводились методом вольтамперометрии в 1N растворе H₂SO₄. Результаты показали, что покрытие Mo–Si–B и покрытие Mo–Hf–Si–B, полученное с использованием 2 сегментов Hf, характеризуются столбчатой структурой. Применение 4 сегментов Hf при осаждении покрытий привело к увеличению плотности и подавлению образования нежелательной столбчатой структуры. Показано, что введение гафния в состав покрытий увеличивает скорость роста на 20 % и на порядок снижает размер зерен основной составляющей фазы h-MoSi₂, одновременно способствуя образованию HfB₂. Максимальные твердость (27 ГПа), модуль Юнга (370 ГПа) и упругое восстановление (62 %) были достигнуты для покрытия Mo–Si–B. Твердость покрытий, полученных с использованием 2 и 4 сегментов Hf, снизилась в 1,9 и 1,6 раза соответственно. При микроиндентировании покрытий Mo–Si–B и Mo–Hf–Si–B (2Hf) наблюдалось образование радиальных трещин. Образец, полученный с максимальной концентрацией гафния, обладал лучшей трещиностойкостью. Электрохимические испытания выявили, что коррозионная стойкость покрытий возрастает в ряду Mo–Hf–Si–B (2Hf) → Mo–Si–B → Mo–Hf–Si–B (4Hf). Все они показали хорошую стойкость к окислению при температурах 1000 и 1500°С. Однако на поверхности образцов Mo–Si–B и Mo–Hf–Si–B (2Hf) наблюдались участки отслоения покрытия. Покрытие Mo–Hf–Si–B (4Hf) продемонстрировало меньшую толщину оксидного слоя и лучшую стойкость к окислению из-за образования плотного защитного слоя SiO2 + HfO_х.

1. Wen S.H., Sha J.B. Isothermal and cyclic oxidation behaviours of MoSi2 with additions of B at 1250 °C prepared by spark plasma sintering. Mater. Charact. 2018. Vol. 139. P. 134—143.

2. Gao P. Zhao, Cheng L., Yuan Z., Liu X. Pan, Xiao H. Ning. High temperature mechanical retention characteristics and oxidation behaviors of the MoSi2(Cr5Si3)—RSiC composites prepared via a PIP—AAMI combined process. J. Adv. Ceram. 2019. Vol. 8. P. 196—208.

3. Zhu L., Wang X., Mao C., Ren X., Feng P. Influence of Ta2O5 on the micromorphology and high-temperature oxidation resistance of MoSi2-based composite coating for protecting niobium. Mater. Charact. 2021. Vol. 179. Art. 111328.

4. Schneibel J.H., Ritchie R.O., Kruzic J.J., Tortorelli P.F. Optimization of Mo—Si—B intermetallic alloys. undefined. Miner., Metal. Mater. Soc. 2005. Vol. 36 (3). P. 525—531.

5. Parthasarathy T.A., Mendiratta M.G., Dimiduk D.M. Oxidation mechanisms in Mo-reinforced Mo5SiB2(T2)—Mo3Si alloys. Acta Mater. Pergamon. 2002. Vol. 50 (7). P. 1857—1868.

6. Zhestkov B.E., Terent’eva V.S. Multifunctional coating MAI D5 intended for the protection of refractory materials. Russ. Metall. 2020. Vol. 2010 (1). P. 33—40.

7. Kiryukhantsev-Korneev P.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. Corros. Sci. 2017. Vol. 123. P. 319—327.

8. Kiryukhantsev-Korneev P.V., Bondarev A.V., Shtansky D.V., Levashov E.A. Structure and properties of nanocomposite Mo—Si—B—(N) coatings. Prot. Met. Phys. Chem. Surfaces. 2015. Vol. 51 (5). P. 794—802.

9. Shrestha S., Hodgkiess T., Neville A. Erosion—corrosion behaviour of high-velocity oxy-fuel Ni—Cr—Mo—Si—B coatings under high-velocity seawater jet impingement. Wear. 2005. Vol. 259. No. 1-6. P. 208—218.

10. Kiryukhantsev-Korneev P.V., Sytchenko A.D., Potanin A.Y., Vorotilo S.A., Levashov E.A. Mechanical properties and oxidation resistance of Mo—Si—B and Mo—Hf—Si—B coatings obtained by magnetron sputtering in DC and pulsed DC modes. Surf. Coat. Technol. 2020. Vol. 403. Art.126373.

11. Филянд М.А., Семенова Е.И. Свойства редких элементов: Справочник. М.: Металлургиздат, 1953.

12. Mayrhofer P.H., Music D., Schneider J.M. Influence of the Al distribution on the structure, elastic properties, and phase stability of supersaturated Ti1–xAlxN. J. Appl. Phys. 2006. Vol.100 (9). Art. 094906.

13. Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурированные материалы: Учеб. пос. для вузов. М.: Академия, 2005.

14. Musil J., Kunc F., Zeman H., Poláková H. Relationships between hardness, Young’s modulus and elastic recovery in hard nanocomposite coatings. Surf. Coat. Technol. 2002. Vol. 154. No. 2-3. P. 304—313.

15. Tkadletz M., Schalk N., Lechner A., Hatzenbichler L., Holec D., Hofer C., Deluca M., Sartory B., Lyapin A., Julin J., Czettl C. Influence of B content on microstructure, phase composition and mechanical properties of CVD Ti(B,N) coatings. Materialia. 2022. Vol. 21. Art. 101323.

16. Cheng C.H., Lee J.W., Ho L.W., Chen H.W., Chan Y.C., Duh J.G. Microstructure and mechanical property evaluation of pulsed DC magnetron sputtered Cr—B and Cr—B—N films. Surf. Coat. Technol. 2011. Vol. 206 (7). P. 1711—1719.

17. Xiong Z., Wang G., Jiang W. The Fracture Toughness and DBTT of MoB particle-reinforced MoSi2 composites. Key Eng. Mater. 2007. Vol. 280-283. P. 1471—1474.

18. Uzunonat Y., Üzgür S., Diltemiz S.F., Kuşhan M.C., Ölmez R. MoSi2 composites for high temperature structural applications. Adv. Mater. Res. 2011. Vol. 214. P. 103—107.

19. Jin M., He D., Shao W., Tan Z., Guo X., Zhou Z., Wang G., Wu X., Cui L., Zhou L. Influence of B contents on the microstructure, fracture toughness and oxidation resistance of Mo—Si—B alloys. J. Alloys Compd. 2022. Vol. 890. Art. 161829.

20. Huang Y., Zhu L., Ye Y., Zhang H., Bai S. Iridium coatings with various grain structures prepared by electrodeposition from molten salts: Growth mechanism and high temperature oxidation resistance. Surf. Coat. Technol. 2017. Vol. 325. P. 190—199.

21. Kiryukhantsev-Korneev Ph.V., Sytchenko A.D., Sviridova T.A., Sidorenko D.A., Andreev N.V., Klechkovskaya V.V., Polčak J., Levashov E.A. Effects of doping with Zr and Hf on the structure and properties of Mo—Si—B coatings obtained by magnetron sputtering of composite targets. Surf. Coat. Technol. 2022. Art. 128141.

22. Bai S., Zhu L., Zhang H., Ye Y., Gao W. High-temperature diffusion in couple of chemical vapor deposited rhenium and electrodeposited iridium. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2013. Vol. 41. P. 563—570.

23. Li Z.K., Yu J.L., Zheng X., Zhang J.J., Liu H., Bai R., Wang H., Wang D.H., Wang W.S. Superplasticity of a multiphase fine-grained Mo—Si—B alloy. Powder Technol. 2011. Vol. 214 (1) P. 54—56.

24. Yu J.L., Li Z.K., Zheng X., Zhang J.J., Liu H., Bai R., Wang H. Tensile properties of multiphase Mo—Si—B refractory alloys at elevated temperatures. Mater. Sci. Eng. A. 2012. Vol. 532. P. 392—395.