Дослідження впливу умов осадження на фазово-структурний стан іонно-плазмових WC – TiC покриттів

Автор(и)

  • Oleg Sоbоl` Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут" вул. Кирпичова, 2, м. Харків, Україна, 61002, Україна https://orcid.org/0000-0002-4497-4419
  • Osman Dur Hacettepe University Technopolis Üniversiteler Mahallesi, 1596, Cadde 6. F-Blok Kat:3 Beytepe, Ankara, Turkey, 06800, Туреччина https://orcid.org/0000-0001-5824-2780

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.181291

Ключові слова:

квазібінарна система, елементний склад, температура підкладки, потенціал зсуву, пересичений твердий розчин

Анотація

Наведено дослідження впливу термічного і радіаційного чинників на елементний склад і фазово-структурний стан іонно-плазмових конденсатів WC-TiC квазібінарних системи. В якості термічного фактора в роботі використовувалася різна температура підкладки при осадженні та температура високотемпературних відпалов покриттів після їх осадження. Вплив радіаційного фактора змінювалося шляхом подачі різного за величиною негативного потенціалу зміщення на підкладку в процесі осадження покриття.

Встановлено, що зі зміною температури підкладки при осадженні (в інтервалі температур 80–950 °С) відбувається зміна в елементному складі покриття. Зі збільшенням температури осадження підвищується відносний вміст важких металевих атомів W і зменшується відносний вміст атомів Ti і С. На фазово-структурному рівні це призводить до зміни від однофазного стану ((W, Ti) C пересичений твердий розчин при температурі осадження менше за 700 °С) до двофазного ((W, Ti) C і α-W2C фази при температурі осадження більш за 700 °С). Використання високотемпературних відпалов покриттів після їх формування показало порівняно низьку ефективність активації розпаду. При температурі відпалу 800 °С помітної зміни фазово-структурного стану не спостерігається, а при найбільш високій температурі 1000 °С і витримці протягом 2-х годин вміст α-W2C фази відносно мале і не перевищує 15 об %. Подача потенціалу зсуву стимулює утворення двухфазного стану з (W, Ti) C і α-W2C фаз з нанометровим розміром кристалітів. Зі збільшенням потенціалу зcуву від –50 В до –115 В середній розмір кристалітів зменшується від 4.5 нм до 3.8 нм.

Використання в роботі методів структурної інженерії для створення двофазних матеріалів на основі квазібінарної WC-TiC системи є основою для підвищення міцності і тріщиностійкості покриттів таких систем

Біографії авторів

Oleg Sоbоl`, Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут" вул. Кирпичова, 2, м. Харків, Україна, 61002

Доктор фізико-математичних наук, професор

Кафедра матеріалознавства

Osman Dur, Hacettepe University Technopolis Üniversiteler Mahallesi, 1596, Cadde 6. F-Blok Kat:3 Beytepe, Ankara, Turkey, 06800

Науковий співробітник

Посилання

  1. Morton, B. D., Wang, H., Fleming, R. A., Zou, M. (2011). Nanoscale Surface Engineering with Deformation-Resistant Core–Shell Nanostructures. Tribology Letters, 42 (1), 51–58. doi: https://doi.org/10.1007/s11249-011-9747-0
  2. Bourebia, M., Laouar, L., Hamadache, H., Dominiak, S. (2016). Improvement of surface finish by ball burnishing: approach by fractal dimension. Surface Engineering, 33 (4), 255–262. doi: https://doi.org/10.1080/02670844.2016.1232778
  3. Sobol’, O. V., Andreev, A. A., Gorban’, V. F. (2016). Structural Engineering of Vacuum-ARC Multiperiod Coatings. Metal Science and Heat Treatment, 58 (1-2), 37–39. doi: https://doi.org/10.1007/s11041-016-9961-3
  4. Mayrhofer, P. H., Mitterer, C., Wen, J. G., Greene, J. E., Petrov, I. (2005). Self-organized nanocolumnar structure in superhard TiB2 thin films. Applied Physics Letters, 86 (13), 131909. doi: https://doi.org/10.1063/1.1887824
  5. Sobol´, O. V., Andreev, A. A., Gorban´, V. F., Meylekhov, A. A., Postelnyk, Н. О. (2016). Structural Engineering of the Vacuum Arc ZrN/CrN Multilayer Coatings. Journal of Nano- and Electronic Physics, 8 (1), 01042. doi: https://doi.org/10.21272/jnep.8(1).01042
  6. Sobol’, O. V. (2016). Structural Engineering Vacuum-plasma Coatings Interstitial Phases. Journal of Nano- and Electronic Physics, 8 (2), 02024. doi: https://doi.org/10.21272/jnep.8(2).02024
  7. Yu, D., Wang, C., Cheng, X., Zhang, F. (2009). Microstructure and properties of TiAlSiN coatings prepared by hybrid PVD technology. Thin Solid Films, 517 (17), 4950–4955. doi: https://doi.org/10.1016/j.tsf.2009.03.091
  8. Jaroš, M., Musil, J., Čerstvý, R., Haviar, S. (2017). Effect of energy on structure, microstructure and mechanical properties of hard Ti(Al,V)Nx films prepared by magnetron sputtering. Surface and Coatings Technology, 332, 190–197. doi: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2017.06.074
  9. Musil, J., Kos, Š., Zenkin, S., Čiperová, Z., Javdošňák, D., Čerstvý, R. (2018). β- (Me1, Me2) and MeNx films deposited by magnetron sputtering: Novel heterostructural alloy and compound films. Surface and Coatings Technology, 337, 75–81. doi: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2017.12.057
  10. Lackner, J., Waldhauser, W., Major, L., Kot, M. (2014). Tribology and Micromechanics of Chromium Nitride Based Multilayer Coatings on Soft and Hard Substrates. Coatings, 4 (1), 121–138. doi: https://doi.org/10.3390/coatings4010121
  11. Sobol’, O. V., Meilekhov, A. A. (2018). Conditions of Attaining a Superhard State at a Critical Thickness of Nanolayers in Multiperiodic Vacuum-Arc Plasma Deposited Nitride Coatings. Technical Physics Letters, 44 (1), 63–66. doi: https://doi.org/10.1134/s1063785018010224
  12. Silva, F. J. G., Martinho, R. P., Alexandre, R. J. D., Baptista, A. P. M. (2012). Wear Resistance of TiAlSiN Thin Coatings. Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 12 (12), 9094–9101. doi: https://doi.org/10.1166/jnn.2012.6760
  13. Endrino, J. L., Palacín, S., Aguirre, M. H., Gutiérrez, A., Schäfers, F. (2007). Determination of the local environment of silicon and the microstructure of quaternary CrAl(Si)N films. Acta Materialia, 55 (6), 2129–2135. doi: https://doi.org/10.1016/j.actamat.2006.11.014
  14. Shizhi, L., Yulong, S., Hongrui, P. (1992). Ti-Si-N films prepared by plasma-enhanced chemical vapor deposition. Plasma Chemistry and Plasma Processing, 12 (3), 287–297. doi: https://doi.org/10.1007/bf01447027
  15. Vepřek, S. (1999). The search for novel, superhard materials. Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films, 17 (5), 2401–2420. doi: https://doi.org/10.1116/1.581977
  16. Veprek, S., Veprek-Heijman, M. G. J., Karvankova, P., Prochazka, J. (2005). Different approaches to superhard coatings and nanocomposites. Thin Solid Films, 476 (1), 1–29. doi: https://doi.org/10.1016/j.tsf.2004.10.053
  17. Sobol, O. V., Postelnyk, A. A., Meylekhov, A. A., Andreev, A. A., Stolbovoy, V. A. (2017). Structural Engineering of the Multilayer Vacuum Arc Nitride Coatings Based on Ti, Cr, Mo and Zr. Journal of Nano- and Electronic Physics, 9 (3), 03003. doi: https://doi.org/10.21272/jnep.9(3).03003
  18. Zhang, R. F., Veprek, S. (2006). On the spinodal nature of the phase segregation and formation of stable nanostructure in the Ti–Si–N system. Materials Science and Engineering: A, 424 (1-2), 128–137. doi: https://doi.org/10.1016/j.msea.2006.03.017
  19. Sobol, O. V., Dub, S. N., Pogrebnjak, A. D., Mygushchenko, R. P., Postelnyk, A. A., Zvyagolsky, A. V., Tolmachova, G. N. (2018). The effect of low titanium content on the phase composition, structure, and mechanical properties of magnetron sputtered WB2-TiB2 films. Thin Solid Films, 662, 137–144. doi: https://doi.org/10.1016/j.tsf.2018.07.042
  20. Euchner, H., Mayrhofer, P. H. (2015). Designing thin film materials – Ternary borides from first principles. Thin Solid Films, 583, 46–49. doi: https://doi.org/10.1016/j.tsf.2015.03.035
  21. Li, D., Lin, X., Cheng, S., Dravid, V. P., Chung, Y., Wong, M., Sproul, W. D. (1996). Structure and hardness studies of CNx/TiN nanocomposite coatings. Applied Physics Letters, 68 (9), 1211–1213. doi: https://doi.org/10.1063/1.115972
  22. Sobol’, O. V., Meylekhov, A. A., Stolbovoy, V. A., Postelnyk, A. A. (2016). Structural Engineering Multiperiod Coating ZrN/MoN. Journal of Nano- and Electronic Physics, 8 (3), 03039. doi: https://doi.org/10.21272/jnep.8(3).03039
  23. Krause-Rehberg, R., Pogrebnyak, A. D., Borisyuk, V. N., Kaverin, M. V., Ponomarev, A. G., Bilokur, M. A. et. al. (2013). Analysis of local regions near interfaces in nanostructured multicomponent (Ti-Zr-Hf-V-Nb)N coatings produced by the cathodic-arc-vapor-deposition from an arc of an evaporating cathode. The Physics of Metals and Metallography, 114 (8), 672–680. doi: https://doi.org/10.1134/s0031918x13080061
  24. Tjong, S. C., Chen, H. (2004). Nanocrystalline materials and coatings. Materials Science and Engineering: R: Reports, 45 (1-2), 1–88. doi: https://doi.org/10.1016/j.mser.2004.07.001
  25. Sobol’, O. V., Andreev, A. A., Gorban’, V. F., Stolbovoy, V. A., Melekhov, A. A., Postelnyk, A. A. (2016). Possibilities of structural engineering in multilayer vacuum-arc ZrN/CrN coatings by varying the nanolayer thickness and application of a bias potential. Technical Physics, 61 (7), 1060–1063. doi: https://doi.org/10.1134/s1063784216070252
  26. Geng, Z., Liu, Y., Zhang, H. (2018). Tribological properties of electrodeposited Ni–ZrO2 nanocomposite coatings on copperplate of crystallizer. Surface Engineering, 35 (10), 919–926. doi: https://doi.org/10.1080/02670844.2018.1482675
  27. Ghadami, F., Zakeri, A., Aghdam, A. S. R., Tahmasebi, R. (2019). Structural characteristics and high-temperature oxidation behavior of HVOF sprayed nano-CeO2 reinforced NiCoCrAlY nanocomposite coatings. Surface and Coatings Technology, 373, 7–16. doi: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2019.05.062
  28. Chen, Z., Qiao, L., Hillairet, J., Song, Y., Turq, V., Wang, P. et. al. (2019). Development and characterization of magnetron sputtered self-lubricating Au-Ni/a-C nano-composite coating on CuCrZr alloy substrate. Applied Surface Science, 492, 540–549. doi: https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.06.240
  29. Ivashchenko, V. I., Dub, S. N., Scrynskii, P. L., Pogrebnjak, A. D., Sobol’, O. V., Tolmacheva, G. N. et. al. (2016). Nb–Al–N thin films: Structural transition from nanocrystalline solid solution nc-(Nb,Al)N into nanocomposite nc-(Nb, Al)N/a–AlN. Journal of Superhard Materials, 38 (2), 103–113. doi: https://doi.org/10.3103/s1063457616020040
  30. Banerjee, P., Bagchi, B. (2018). Effects of metastable phases on surface tension, nucleation, and the disappearance of polymorphs. The Journal of Chemical Physics, 149 (21), 214704. doi: https://doi.org/10.1063/1.5054151
  31. Sobol’, O. V. (2011). Control of the structure and stress state of thin films and coatings in the process of their preparation by ion-plasma methods. Physics of the Solid State, 53 (7), 1464–1473. doi: https://doi.org/10.1134/s1063783411070274
  32. Rempel, A. A., Gusev, A. I. (2000). Preparation of disordered and ordered highly nonstoichiometric carbides and evaluation of their homogeneity. Physics of the Solid State, 42 (7), 1280–1286. doi: https://doi.org/10.1134/1.1131377
  33. Jansson, U., Lewin, E. (2013). Sputter deposition of transition-metal carbide films – A critical review from a chemical perspective. Thin Solid Films, 536, 1–24. doi: https://doi.org/10.1016/j.tsf.2013.02.019
  34. Zhang, Y., Li, J., Zhou, L., Xiang, S. (2002). A theoretical study on the chemical bonding of 3d-transition-metal carbides. Solid State Communications, 121 (8), 411–416. doi: https://doi.org/10.1016/s0038-1098(02)00034-0
  35. Sobol’, O. V., Shovkoplyas, O. A. (2013). On advantages of X-ray schemes with orthogonal diffraction vectors for studying the structural state of ion-plasma coatings. Technical Physics Letters, 39 (6), 536–539. doi: https://doi.org/10.1134/s1063785013060126
  36. Smith, D. K., Jenkins, R. (1996). The Powder Diffraction file: Past, present, and future. Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology, 101 (3), 259. doi: https://doi.org/10.6028/jres.101.027
  37. Bushroa, A. R., Rahbari, R. G., Masjuki, H. H., Muhamad, M. R. (2012). Approximation of crystallite size and microstrain via XRD line broadening analysis in TiSiN thin films. Vacuum, 86 (8), 1107–1112. doi: https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2011.10.011
  38. Veprek, S., Veprek-Heijman, M. J. G. (2008). Industrial applications of superhard nanocomposite coatings. Surface and Coatings Technology, 202 (21), 5063–5073. doi: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2008.05.038
  39. Musil, J., Daniel, R., Zeman, P., Takai, O. (2005). Structure and properties of magnetron sputtered Zr–Si–N films with a high (≥25 at.%) Si content. Thin Solid Films, 478 (1-2), 238–247. doi: https://doi.org/10.1016/j.tsf.2004.11.190
  40. Thornton, J. A. (1974). Influence of apparatus geometry and deposition conditions on the structure and topography of thick sputtered coatings. Journal of Vacuum Science and Technology, 11 (4), 666–670. doi: https://doi.org/10.1116/1.1312732

##submission.downloads##

Опубліковано

2019-10-21

Як цитувати

Sоbоl` O., & Dur, O. (2019). Дослідження впливу умов осадження на фазово-структурний стан іонно-плазмових WC – TiC покриттів. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5(12 (101), 6–13. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.181291

Номер

Том 5 № 12 (101) (2019): Матеріалознавство

Розділ

Матеріалознавство

Ліцензія

Авторське право (c) 2019 Oleg Sоbоl`, Osman Dur

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.