Эффект влияния углерода на структурно-фазовое состояние и трибомеханические свойства наноструктурированных покрытий TiAlCN

  • 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
  • Валерий Александрович Зайков Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Владимир Владимирович Пилько Институт прикладных физических проблем им. А. Н. Севченко БГУ, ул. Курчатова, 7, 220045, г. Минск, Беларусь

Аннотация

Обозначены перспективы применения в современном машиностроении, атомной энергетике и космической технике стойких к ряду негативных воздействий покрытий на базе нитридов и карбонитридов переходных металлов, формируемых вакуумно-плазменными методами нанесения. Методом реактивного магнетронного распыления сформированы наноструктурированные покрытия TiAlCN с различной концентрацией азота и углерода. Определены структурно-фазовое состояние, элементный состав, морфология и толщины полученных покрытий. С использованием наноиндентирования по методике Оливера – Фарра, а также трибомеханических испытаний измерены твердость (H), модуль Юнга (E), показатель ударной вязкости (H/E*) и коэффициент трения покрытий TiAlCN. Сформированные покрытия TiAlCN обладают однофазной структурой неупорядоченного твердого раствора (Ti, Al)(C, N) с гранецентрированной кубической решеткой. Средний размер кристаллитов (Ti, Al)(C, N) составил от (10 ± 5) до (60 ± 5) нм. Установлено, что концентрация углерода в покрытиях TiAlCN существенно влияет на изменение их механических свойств. При малой концентрации углерода, равной 7,3 ат. % (PN2 : PC2H2 = 2 : 1), покрытия TiAlCN обладают достаточно высокими твердостью (более 25 ГПа) и ударной вязкостью. Повышенная концентрация углерода, равная 30,3 ат. % (PN2 : PC2H2 = 1 : 2), обеспечивает получение покрытий TiAlCN с большей твердостью (свыше 32 ГПа), но при этом наблюдается снижение ударной вязкости (отношения H/E*). Наименьший коэффициент трения (0,30–0,32) продемонстрировали покрытия TiAlCN, сформированные в режимах с соотношениями парциальных давлений реактивных газов (азота и ацетилена) PN2 : PC2H2 = 2 : 1 и PN2 : PC2H2 = 1 : 2. 

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

доктор физико-математических наук, академик НАН Беларуси, 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

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

Владимир Владимирович Пилько, Институт прикладных физических проблем им. А. Н. Севченко БГУ, ул. Курчатова, 7, 220045, г. Минск, Беларусь

научный сотрудник лаборатории элионики

Литература

  1. Konstantinov SV, Komarov FF, Chizhov IV, Zaikov VA. Structural-phase states and micromechanical properties of nanostructured TiAlCuN coatings. Doklady of the National Academy of Sciences of Belarus. 2023;67(2):101–110. Russian. DOI: 10.29235/1561-8323-2023-67-2-101-110.
  2. Komarov FF, Konstantinov SV, Strel’nitskij VE. Radiation resistance of nanostructured TiN, TiAlN, TiAlYN coatings. Doklady of the National Academy of Sciences of Belarus. 2014;58(6):22–27. Russian.
  3. 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.
  4. Zeng Yuqiao, Qiu Yuedong, Mao Xiangyang, Tan Shuyong, Tan Zhen, Zhang Xuhai, et al. Superhard TiAlCN coatings prepared by radio frequency magnetron sputtering. Thin Solid Films. 2015;584:283–288. DOI: 10.1016/j.tsf.2015.02.068.
  5. Lackner JM, Waldhauser W, Ebner R, Bakker RJ, Schöberl T, Major B. Room temperature pulsed laser deposited (Ti, Al)Cx N1 – x coatings – chemical, structural, mechanical and tribological properties. Thin Solid Films. 2004;468(1–2):125–133. DOI: 10.1016/j.tsf.2004.05.089.
  6. Jyothi J, Biswas A, Sarkar P, Soum-Glaude A, Nagaraja HS, Barshilia HC. Optical properties of TiAlC/TiAlCN/TiAlSiCN/TiAlSiCO/TiAlSiO tandem absorber coatings by phase-modulated spectroscopic ellipsometry. Applied Physics A: Materials Science & Processing. 2017;123(7):496. DOI: 10.1007/s00339-017-1103-2.
  7. Rebouta L, Pitães A, Andritschky M, Capela P, Cerqueira MF, Matilainen A, et al. Optical characterization of TiAlN/TiAlON/SiO2 absorber for solar selective applications. Surface and Coatings Technology. 2012;211:41–44. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2011.09.003.
  8. Brogren M, Harding GL, Karmhag R, Ribbing CG, Niklasson GA, Stenmark L. Titanium – aluminium – nitride coatings for satellite temperature control. Thin Solid Films. 2000;370(1–2):268–277. DOI: 10.1016/S0040-6090(00)00914-7.
  9. Konstantinov SV, Komarov FF. Effects of nitrogen selective sputtering and flaking of nanostructured coatings TiN, TiAlN, TiAlYN, TiCrN, (TiHfZrVNb)N under helium ion irradiation. Acta Physica Polonica A. 2019;136(2):303–309. DOI: 10.12693/APhysPolA.136.303.
  10. Konstantinov SV, Wendler E, Komarov FF, Zaikov VA. Radiation tolerance of nanostructured TiAlN coatings under Ar+ ion irradiation. Surface and Coatings Technology. 2020;386:125493. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2020.125493.
  11. Komarov FF, Konstantinov SV, Zaikov VA, Pil’ko VV. [Effects 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.
  12. Konstantinov SV, Komarov FF, Chizhov IV, Żuk J, Zaikov VA. Influence of high-temperature ion irradiation on nanostructured TiAlN coatings. Journal of the Belarusian State University. Physics. 2022;3:39–47. Russian. DOI: 10.33581/2520-2243-2022-3-39-47.
  13. Komarov FF, Konstantinov SV, Żuk J, Droździel A, Pyszniak K, Chizhov IV, et al. Structure and mechanical properties of TiAlN coatings under high-temperature Ar+ ion irradiation. Acta Physica Polonica A. 2022;142(6):690–696. DOI: 10.12693/aphyspola.142.690.
  14. Komarov FF, Konstantinov SV, Chizhov IV, Zaikov VA, Zubar TI, Trukhanov AV. Nanostructured TiAlCuN and TiAlCuCN coatings for spacecraft: effects of reactive magnetron deposition regimes and compositions. RSC Advances. 2023;13(27):18898–18907. DOI: 10.1039/D3RA02301J.
  15. Konstantinov SV, Komarov FF, Chizhov IV, Zaikov VA. [Effect of silicon addition on elemental composition and structure of TiAlSiN, TiAlSiCN coatings]. In: Dudchik YuI, Tsikman IM, Kol’chevskaya IN, editors. Prikladnye problemy optiki, informatiki, radiofiziki i fiziki kondensirovannogo sostoyaniya. Materialy VII Mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii, posvyashchennoi 120-letiyu so dnya rozhdeniya akademika Antona Nikiforovicha Sevchenko; 18–19 maya 2023 g.; Minsk, Belarus’ [Applied problems of optics, informatics, radiophysics and condensed matter physics. Proceedings of the 7th International scientific and practical conference dedicated to the 120th anniversary of the birth of academician Anton Nikiforovich Sevchenko; 2023 May 18–19; Minsk, Belarus]. 2nd edition. Minsk: [s. n.]; 2023. p. 328–330. Russian.
  16. 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.
  17. 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.
  18. Martínez-Martínez D, López-Cartes C, Fernández A, Sánchez-López JC. Influence of the microstructure on the mechanical and tribological behavior of TiC/a-C nanocomposite coatings. Thin Solid Films. 2009;517(5):1662–1671. DOI: 10.1016/j.tsf.2008.09.091.
Опубликован
2023-10-28
Ключевые слова: реактивное магнетронное распыление, наноструктурированные покрытия TiAlCN, структурно-фазовое состояние, трибомеханические свойства, наноиндентирование, коэффициент трения
Как цитировать
Константинов, С. В., Комаров, Ф. Ф., Чижов , И. В., Зайков, В. А., & Пилько, В. В. (2023). Эффект влияния углерода на структурно-фазовое состояние и трибомеханические свойства наноструктурированных покрытий TiAlCN. Журнал Белорусского государственного университета. Физика, 3, 44-56. Доступно по https://journals.bsu.by/index.php/physics/article/view/5559
Выпуск
№ 3 (2023): Журнал Белорусского государственного университета. Физика
Раздел
Физика конденсированного состояния

Copyright (c) 2023 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).