Воздействие высокотемпературного ионного облучения на наноструктурированные покрытия TiAlN

  • Станислав Валерьевич Константинов Институт прикладных физических проблем им. А. Н. Севченко БГУ, ул. Курчатова, 7, 220045, г. Минск, Беларусь
  • Фадей Фадеевич Комаров Институт прикладных физических проблем им. А. Н. Севченко БГУ, ул. Курчатова, 7, 220045, г. Минск, Беларусь
  • Игорь Викторович Чижов Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Ежи Жук Университет Марии Кюри-Склодовской, пл. Марии Кюри-Склодовской, 5, 20-031, г. Люблин, Польша
  • Валерий Александрович Зайков Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
DOI: https://doi.org/10.33581/2520-2243-2022-3-39-47

Аннотация

Методом реактивного магнетронного распыления сформированы наноструктурированные покрытия TiAlN на подложках из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т. Полученные покрытия TiAlN подвергнуты облучению ионами Ar+ c энергией 200 кэВ в диапазоне флюенсов от 2,5 ⋅ 1016 до 2,0 ⋅ 1017 ионов на 1 см2 при температуре 480 °С. С использованием энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии, сканирующей электронной микроскопии и рентгеноструктурного фазового анализа исследованы элементный состав, структурно-фазовое состояние и морфология исходных и облученных покрытий. Проведено наноиндентирование полученных структур по методике Оливера и Фарра, определены нанотвердость (Н), модуль Юнга (E), а также рассчитана ударная вязкость исследуемых покрытий как соотношение H/E∗. Установлено формирование однофазной структуры твердого раствора (Ti, Al)N покрытий в исходном состоянии. Обнаружен эффект селективного распыления наиболее легкого компонента – азота – из покрытий. До флюенса облучения 1,0 ⋅ 1017 ионов на 1 см2 не выявлено существенных изменений в структурно-фазовом состоянии покрытий. При флюенсе облучения 2,5 ⋅ 1016 ионов на 1 см2 отмечено улучшение комплекса прочностных свойств покрытий TiAlN. Сделан вывод, что наноструктурированные покрытия TiAlN являются радиационно стойкими до флюенса облучения 2,0 ⋅ 1017 ионов на 1 см2, при котором наблюдаются начало сегрегации твердого раствора (Ti, Al)N как основной фазы покрытий и эффект блистеринга.

Биографии авторов

Станислав Валерьевич Константинов, Институт прикладных физических проблем им. А. Н. Севченко БГУ, ул. Курчатова, 7, 220045, г. Минск, Беларусь

кандидат физико-математических наук, доцент; старший научный сотрудник лаборатории элионики

Фадей Фадеевич Комаров, Институт прикладных физических проблем им. А. Н. Севченко БГУ, ул. Курчатова, 7, 220045, г. Минск, Беларусь

академик НАН Беларуси, доктор физико-математических наук, профессор; заведующий лабораторией элионики

Игорь Викторович Чижов, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

аспирант кафедры физической электроники и нанотехнологий факультета радиофизики и компьютерных технологий. Научный руководитель – С. В. Константинов

Ежи Жук, Университет Марии Кюри-Склодовской, пл. Марии Кюри-Склодовской, 5, 20-031, г. Люблин, Польша

доктор наук, профессор; профессор кафедры физики материалов факультета математики, физики и информатики

Валерий Александрович Зайков, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

старший научный сотрудник кафедры физической электроники и нанотехнологий факультета радиофизики и компьютерных технологий

Литература

  1. Shen TD. Radiation tolerance in a nanostructute: is smaller better? Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. 2008;266(6):921–925. DOI: 10.1016/j.nimb.2008.01.039.
  2. Komarov FF, Konstantinov SV, Zaikov VA, Pilko VV. [Effect of proton irradiation on the structural-phase state of nanostructured TiZrSiN coatings and their mechanical properties]. Inzhenerno-fizicheskii zhurnal. 2021;94(6):1645–1654. Russian.
  3. Zhang YF, Yan WQ, Chen L, Liao B, Hua QS, Zhang X. A hard yet tough CrAlSiN nanocomposite coating for blades deposited by filtered cathode vacuum arc. Surfaces and Interfaces. 2021;25:101156. DOI: 10.1016/j.surfin.2021.101156.
  4. Komarov FF, Konstantinov SV, Zaikov VA, Pilko VV. Radiation tolerance of nanostructured TiZrSiN coatings. Doklady of the National Academy of Sciences of Belarus. 2020;64(5):534–543. Russian. DOI: 10.29235/1561-8323-2020-64-5-534-543.
  5. Oliver WC, Pharr GM. An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments. Journal of Materials Research. 1992;7(6):1564–1583. DOI: 10.1557/jmr.1992.1564.
  6. Oliver WC, Pharr GM. Measurement of hardness and elastic modulus by instrumented indentation: advances in understanding and refinements to methodology. Journal of Materials Research. 2004;19(1):3–20. DOI: 10.1557/jmr.2004.19.1.3.
  7. Cavaleiro A, De Hosson JTM, editors. Nanostructured coatings. New York: Springer Science + Business Media; 2006. XX, 651 p. (Nanostructure science and technology). DOI: 10.1007/978-0-387-48756-4.
  8. Komarov FF. Ion beam modification of metals. Curtis P, translator. Philadelphia: Gordon and Breach Science Publishers; 1992. VII, 251 p.
  9. Ziegler JF, Biersack JP, Littmark U. The stopping and range of ions in solids. New York: Pergamon Press; 1985. 321 p. (Stopping and ranges of ions in matter; volume 1).
  10. Komarov FF, Konstantinov VM, Kovalchuk AV, Konstantinov SV, Tkachenko HA. The effect of steel substrate pre-hardening on structural, mechanical, and tribological properties of magnetron sputtered TiN and TiAlN coatings. Wear. 2016;352–353:92–101. DOI: 10.1016/j.wear.2016.02.007.
  11. Leyland A, Matthews A. Design criteria for wear-resistant nanostructured and glassy-metal coatings. Surface and Coatings Technology. 2004;177–178:317–324. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2003.09.011.
  12. Musil J. Hard nanocomposite coatings: thermal stability, oxidation resistance and toughness. Surface and Coatings Technology. 2012;207:50–65. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2012.05.073.
Опубликован
2022-09-26
Ключевые слова: наноструктурированные покрытия TiAlN, структурно-фазовое состояние, трибомеханические свойства, наноиндентирование, радиационная стойкость
Как цитировать
Константинов, С. В., Комаров, Ф. Ф., Чижов, И. В., Жук, Е., & Зайков, В. А. (2022). Воздействие высокотемпературного ионного облучения на наноструктурированные покрытия TiAlN. Журнал Белорусского государственного университета. Физика, 3, 39-47. https://doi.org/10.33581/2520-2243-2022-3-39-47
Выпуск
№ 3 (2022): Журнал Белорусского государственного университета. Физика
Раздел
Физика конденсированного состояния

Copyright (c) 2022 Журнал Белорусского государственного университета. Физика

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.

Авторы, публикующиеся в данном журнале, соглашаются со следующим:

  1. Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и предоставляют журналу право первой публикации работы на условиях лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial. 4.0 International (CC BY-NC 4.0).
  2. Авторы сохраняют право заключать отдельные контрактные договоренности, касающиеся неэксклюзивного распространения версии работы в опубликованном здесь виде (например, размещение ее в институтском хранилище, публикацию в книге) со ссылкой на ее оригинальную публикацию в этом журнале.
  3. Авторы имеют право размещать их работу в интернете (например, в институтском хранилище или на персональном сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению и большему количеству ссылок на данную работу. (См. The Effect of Open Access).