Наслідки присутності Y як реакційноздатного елемента в катодно-дуговому захисному покритті TiAlN для трибологічних застосувань

  • Ольга Максакова Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, Харків, Україна; Інститут матеріалознавства, Словацький технологічний університет у Братиславі, Трнава, Словаччина https://orcid.org/0000-0002-0646-6704
  • Вячеслав Береснєв Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, Харків, Україна https://orcid.org/0000-0002-4623-3243
  • Сергій Литовченко Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, Харків, Україна https://orcid.org/0000-0002-3292-5468
  • M. Čaplovičova Інститут матеріалознавства, Словацький технологічний університет у Братиславі, Трнава, Словаччина https://orcid.org/0000-0003-4767-8823
  • L. Čaplovič Інститут матеріалознавства, Словацький технологічний університет у Братиславі, Трнава, Словаччина https://orcid.org/0000-0002-2280-008X
  • Мартін Куси Інститут матеріалознавства, Словацький технологічний університет у Братиславі, Трнава, Словаччина https://orcid.org/0000-0002-5553-1680
  • Іріна Дoщечкина Харківський національний автомобільно-дорожній університет, Харків, Україна https://orcid.org/0000-0002-6278-7780
DOI: https://doi.org/10.26565/2312-4334-2024-2-51
Ключові слова: вакуумно-дугове осадження, покриття, вюрцитна фаза, твердість, знос, критичні навантаження

Анотація

Приведено результати досліджень впливу Y як реакційноздатного елемента на властивості покриттів TiAlN отриманих методом вакуумно-дугового осадження. Зміни в структурі та властивостях були проаналізовані за допомогою SEM у поєднанні з EDX, XRD, аналізом вдавлення та аналізом зносу. Показано присутності Y змінює кристалічну фазу покриття Ti0,6Al0,34Y0,06N. Він складається з комбінації кубічної структури типу NaCl (базова фаза) і структури вюрциту (додаткова фаза). Крім того, це призводить до дрібного розміру зерна (12 нм) і нано-стовпчастої структури. Висока твердість частково є результатом твердіння розчину через включення більших атомів Y у решітку TiAlN у місцях розташування атомів металу. Зменшений розмір зерна 12 нм також сприяє підвищенню твердості покриття. Твердість становить 31±2,5 ГПа, модуль пружності 394,8±35,8 ГПа. Залишкове напруження приблизно в три рази (−3352±64 МПа) перевищує покриття TiAlN (−720 МПа). Крім того, високий рівень стискаючої напруги сприяє підвищенню твердості, оскільки дефекти, відповідальні за власну стискаючу напругу, є перешкодою для руху дислокації.  Покращену твердість експериментального покриття можна пояснити потрійним ефектом: зміцнення розчину, подрібнення зерна та високе залишкове напруження стиску. Додавання Y свідчить про сповільнене зростання оксидного шару на поверхні покриття під час випробування на знос. Після додавання Y іони Y переважно відокремлюються на границях зерен, і тому ефективно затримують дифузію кисню всередину. Додавання Y сприяє утворенню щільного Al2O3, який є ефективним у стримуванні дифузії і, отже, захищає покриття від окисного зношування.

Завантаження

##plugins.generic.usageStats.noStats##

Посилання

Y. Deng, W. Chen, B. Li, C. Wang, T. Kuang, and Y. Li, “Physical vapor deposition technology for coated cutting tools: a review,” Ceram. Int. 46, 18373–18390 (2020). https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.04.168

B. Grossmann, A. Jamnig, N. Schalk, C. Czettl, M. Pohler, and C. Mitterer, “Tailoring age hardening of Ti1−xAlxN by Ta alloying,” J. Vac. Sci. Technol. A, 35(6), 060604 (2017). https://doi.org/10.1116/1.4995000

T. Akasawa, H. Sakurai, M. Nakamura, T. Tanaka, and K. Takano, “Effects of free-cutting additives on the machinability of austenitic stainless steels,” J. Mater. Process. Technol. 143–144(1), 6–71 (2003). https://doi.org/10.1016/S0924-0136(03)00321-2

N. Sharma, K. Gupta, “Influence of coated and uncoated carbide tools on tool wear and surface quality during dry machining of stainless steel 304,” Mater. Res. Express, 6(8), (2019). https://doi.org/10.1088/2053-1591/ab1e59

N. Schalk, M. Tkadletz, and C. Mitterer, “Hard coatings for cutting applications: physical vs. chemical vapor deposition and future challenges for the coatings community,” Surf. Coat. Technol. 429 (2022). https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2021.127949

K. Bobzin, “High-performance coatings for cutting tools,” CIRP J. Manuf. Sci. Technol. 18, 1–9 (2017). https://doi.org/10.1016/j.cirpj.2016.11.004

O. Kessler, Th. Herding, F. Hoffmann, and P. Mayr, “Microstructure and wear resistance of CVD TiN-coated and induction surface hardened steels,” Surf. Coat. Technol. 182(2), 184–191 (2004). https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2003.08.054

M.-Y. Wee, Y.-G. Park, and T.-S. Kim, “Surface properties of CrN-coated Ti–6Al–4V alloys by arc-ion plating process,” Materials Letters, 59(8–9), 876–879 (2005). https://doi.org/10.1016/j.matlet.2004.11.035

C. Ducros, and F. Sanchette, “Multilayered and nanolayered hard nitride thin films deposited by cathodic arc evaporation. Part 2: Mechanical properties and cutting performances,” Surface and Coatings Technology, 201(3-4), 1045-1052 (2006). https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2006.01.029

T. Leyendecker, O. Lemmer, S. Esser, and J. Ebberink, “The development of the PVD coating TiAlN as a commercial coating for cutting tools,” Surf. Coat. Technol. 48, 175–178 (1991). https://doi.org/10.1016/0257-8972(91)90142-J

P.H. Mayrhofer, A. Horling, L. Karlsson, J. Sjolen, T. Larsson, C. Mitterer, and L. Hultman, “Self-organized nanostructures in the Ti-Al-N system,” Appl. Phys. Lett. 83, 2049–2051 (2003). https://doi.org/10.1063/1.1608464

M. Bartosik, H.J. Böhm, C. Krywka, Z.L. Zhang, and P.H. Mayrhofer, “Influence of phase transformation on the damage tolerance of Ti-Al-N coatings,” Vacuum, 155, 153–157 (2018). https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2018.06.001

L. Chen, J. Paulitsch, Y. Du, and P.H. Mayrhofer, “Thermal stability and oxidation resistance of Ti-Al-N coatings,” Surf. Coatings Technol. 206(11–12), 2954–2960 (2012). https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2011.12.028

L. Rogström, J. Ullbrand, J. Almer, L. Hultman, B. Jansson, and M. Odén, “Strain evolution during spinodal decomposition of TiAlN thin films,” Thin Solid Films, 520(17), 5542–5549 (2012). https://doi.org/10.1016/j.tsf.2012.04.059

L. Chen, J. Paulitsch, Y. Du, and P.H. Mayrhofer, “Thermal stability and oxidation resistance of Ti-Al-N coatings,” Surf. Coat. Technol. 206(11–12), 2954–2960 (2012). https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2011.12.028

B. Grossmann, N. Schalk, C. Czettl, M. Pohler, and C. Mitterer, “Phase composition and thermal stability of arc evaporated Ti1−xAlxN hard coatings with 0.4≤x≤0.67,” Surf. Coat. Technol. 309, 687–693 (2017). https://doi.org/10.1016/j surfcoat.2016.11.015

H. Willmann, P.H. Mayrhofer, P.O. Persson, A.E. Reiter, L. Hultman, and C. Mitterer, “Thermal stability of Al-Cr-N hard coatings,” Scr. Mater. 54(11), 1847–1851 (2006). https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2006.02.023

B. Li, “A review of tool wear estimation using theoretical analysis and numerical simulation technologies,” Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 35, 143–151 (2012). https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2012.05.006

V.F.C. Sousa, F.J.G. Da Silva, G.F. Pinto, A. Baptista, and R. Alexandre, “Characteristics and Wear Mechanisms of TiAlN-Based Coatings for Machining Applications: A Comprehensive Review,” Metals, 11, 260 (2021). https://doi.org/10.3390/met11020260

M. Pfeiler, et al., “On the effect of Ta on improved oxidation resistance of Ti–Al–Ta–N coatings,” J. Vac. Sci. Technol. A Vac. Surf. Film. 27(3), 554–560 (2009). https://doi.org/10.1116/1.3119671

A. Hemmati, M. Abdoos, and S.C. Veldhuis, “Developing Ti-Al-Ta-N based coatings: Thermal stability, oxidation resistance, machining performance and adaptive behavior under extreme tribological conditions,” Materials Today Communications, 31, 103373 (2022). https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2022.103373

S. Siwawut, C. Saikaew, A. Wisitsoraat, and S. Surinphong, “Cutting performances and wear characteristics of WC inserts coated with TiAlSiN and CrTiAlSiN by filtered cathodic arc in dry face milling of cast iron,” Int. J. Adv. Manuf. Technol. 97, 3883–3892 (2018). https://doi.org/10.1007/s00170-018-2200-x

W. Lu, G. Li, Y. Zhou, S. Liu, K. Wang, and Q. Wang, “Effect of high hardness and adhesion of gradient TiAlSiN coating on cutting performance of titanium alloy,” J. Alloys Compounds, 820, 153137 (2020). https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.153137

M. Mikula, D. Plašienka, D.G. Sangiovanni, M. Sahul, T. Roch, M. Truchlý, M. Gregor, et al., “Toughness enhancement in highly NbN-alloyed Ti-Al-N hard coatings,” Acta Mater. 121, 59–67 (2016) https://doi.org/10.1016/j.actamat.2016.08.084

S.A. Glatz, R. Hollerweger, P. Polcik, R. Rachbauer, J. Paulitsch, and P.H. Mayrhofer, “Thermal stability and mechanical properties of arc evaporated Ti-Al-Zr-N hard coatings,” Surf. Coat. Technol. 266, 1–9 (2015). https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2015.01.042

K. Yang, G. Xian, H. Zhao, H. Fan, J. Wang, H. Wang, and H. Du, “Effect of Mo content on the structure and mechanical properties of TiAlMoN films deposited on WC–Co cemented carbide substrate by magnetron sputtering,” Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 52, 29–35 (2015). https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2015.04.016

L. Tomaszewski, W. Gukbinski, A. Urbanowicz, T. Suszko, A. Lewandowski, and W. Gulbinski, “TiAlN based wear resistant coatings modified by molybdenum addition,” Vacuum, 121, 223–229 (2015). https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2015.08.027

S.A. Glatz, H. Bolvardi, S. Kolozsvári, C.M. Koller, H. Riedl, and P.H. Mayrhofer, “Arc evaporated W-alloyed Ti-Al-N coatings for improved thermal stability, mechanical, and tribological properties,” Surf. Coatings Technol. 332, 275-282 (2017). https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2017.05.097

J. Mo, Z. Wu, Y. Yao, Q. Zhang, and Q. Wang, “Influence of Y-Addition and Multilayer Modulation on Microstructure, Oxidation Resistance and Corrosion Behavior of Al0.67Ti0.33N Coatings,” Surf. Coat. Technol. 342, 129–136 (2018). https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2018.02.071

M. Moser, P.H. Mayrhofer, L. Székely, G. Sáfrán, and P.B. Barna, “Influence of bipolar pulsed DC magnetron sputtering on elemental composition and micro-structure of Ti–Al–Y–N thin films,” Surface and Coatings Technology, 203(1–2), 148-155 (2008). https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2008.08.042

L. Székely, G. Sáfrán, V. Kis, Z.E. Horváth, P.H. Mayrhofer, M. Moser, G. Radnóczi, et al., “Crossover of texture and morphology in (Ti1−xAlx)1−yYyN alloy films and the pathway of structure evolution,” Surface and Coatings Technology, 257, 3 14 (2014). https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2014.08.071

R. Rachbauer, D. Holec, M. Lattemann, L. Hultman, and P.H. Mayrhofer, “Electronic origin of structure and mechanical properties in Y and Nb alloyed Ti-Al-N thin films,” Int. J. Mater. Res. 102, 735–742 (2011). https://doi.org/10.3139/146.110520

R. Aninat, N. Valle, J.-B. Chemin, D. Duday, C. Michotte, M. Penoy, L. Bourgeois, and P. Choquet, “Addition of Ta and Y in a Hard Ti-Al-N PVD Coating: Individual and Conjugated Effect on the Oxidation and Wear Properties,” Corros. Sci. 156, 171 180 (2019). https://doi.org/10.1016/j.corsci.2019.04.042

M. Moser, D. Kiener, C. Scheu, and P.H. Mayrhofer, “Influence of Yttrium on the Thermal Stability of Ti-Al-N Thin Films,” Materials, 3, 1573–1592 (2010). https://doi.org/10.3390/ma3031573

L.A. Donohue, D.B. Lewis, W.D. Münz, M.M. Stack, S.B. Lyon, H.W. Wang, and D. Rafaja, “The influence of low concentrations of chromium and yttrium on the oxidation behaviour, residual stress and corrosion performance of TiAlN hard coatings on steel substrates,” Vacuum, 55, 109–114 (1999). https://doi.org/10.1016/S0042-207X(99)00135-9

H. Tawancy, N. Abbas, and A. Bennett, “Role of Y during high temperature oxidation of an M-Cr-Al-Y coating on an Ni-base superalloy,” Surf. Coat. Technol. 68–69, 10–16 (1994). https://doi.org/10.1016/0257-8972(94)90130-9

S. Wang, Y. Kong, L. Chen, and Y. Du, “Adsorption behavior of oxygen on Ti0.5Al0.5N (001) surface with X-doped (X = La, Ce, Y, Hf, Zr, Ta, Cr, Si): A first-principles study,” Applied Surface Science, 639, 158245 (2023). https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2023.158245

R. Hollerweger, H. Riedl, M. Arndt, S. Kolozsvari, S. Primig, and P.H. Mayrhofer, “Guidelines for increasing the oxidation resistance of Ti-Al-N based coatings,” Thin Solid Films, 688, 137290 (2019). https://doi.org/10.1016/j.tsf.2019.05.009

T.C. Rojas, S. Domínguez-Meister, M. Brizuela, and J.C. Sanchez-Lopez, “Influence of Al and Y content on the oxidation resistance of CrAlYN protective coatings for high temperature applications: New insights about the Y role,” Journal of Alloys and Compounds, 773, 1172-1181 (2019). https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.09.28

L.F. He, J. Shirahata, T. Nakayama, T. Suzuki, H. Suematsu, I. Ihara, Y.W. Bao, et al., “Mechanical properties of Y2Ti2O7,” Scripta Materialia, 64(6), 548-551 (2011). https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2010.11.042

Z.B. Qi, Z.T. Wu, and Z.C. Wang, “Improved hardness and oxidation resistance for CrAlN hard coatings with Y addition by magnetron co-sputtering,” Surf. Coat. Technol. 259, 146–151 (2014). https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2014.02.034

K. Zhang, J. Deng, X. Guo, L. Sun, and S. Lei, “Study on the adhesion and tribological behavior of PVD TiAlN coatings with a multi-scale textured substrate surface,” Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 72, 292–305 (2018). https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2018.01.003

P.Eh. Hovsepian, D.B. Lewis, Q. Luo, W.-D. Münz, P.H. Mayrhofer, C. Mitterer, Z. Zhou, and W.M. Rainforth, “TiAlN based nanoscale multilayer coatings designed to adapt their tribological properties at elevated temperatures,” Thin Solid Films, 485, 160 (2005). https://doi.org/10.1016/j.tsf.2005.03.048

S. PalDey, and S.C. Deevi, “Single layer and multilayer wear resistant coatings of (Ti,Al)N: a review,” Mater. Sci. Eng. A, 342(1-2), 58–79 (2003). https://doi.org/10.1016/S0921-5093(02)00259-9

A. Raveh, I. Zukerman, R. Shneck, R. Avni, and I. Fried, “Thermal stability of nanostructured superhard coatings: A review,” Surf. Coat. Technol. 201(13), 6136–6142 (2007). https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2006.08.131

L. Zhu, Y. Zhang, W. Ni, and Y. Liu, “The effect of yttrium on cathodic arc evaporated Ti0.45Al0.55N coating,” Surface and Coatings Technology, 214, 53–58 (2013). http://dx.doi.org/10.1016/j.surfcoat.2012.10.074

A. Hemmati, M. Abdoos, and S.C. Veldhuis, “Developing Ti-Al-Ta-N based coatings: Thermal stability, oxidation resistance, machining performance and adaptive behavior under extreme tribological conditions,” Materials Today Communications, 31, 103373 (2022). https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2022.103373

C. Leyens, M. Peters, P.Eh. Hovsepian, D.B. Lewis, Q. Luo, and W.-D. Münz, “Novel coating systems produced by the combined cathodic arc/unbalanced magnetron sputtering for environmental protection of titanium alloys,” Surf. Coat. Technol. 155, 103–111 (2002). https://doi.org/10.1016/S0257-8972(02)00063-4

M.I. Lembke, D.B. Lewis, W.-D. Münz, and J.M. Titchmarsh, “Significance of Y and Cr in TiAlN Hard Coatings for Dry High Speed Cutting,” Surf. Eng. 17, 153–158 (2001). https://doi.org/10.1179/026708401101517656

Опубліковано
2024-06-01
Цитовано
Як цитувати
Максакова, О., Береснєв, В., Литовченко, С., Čaplovičova, M., Čaplovič, L., Куси, М., & ДoщечкинаІ. (2024). Наслідки присутності Y як реакційноздатного елемента в катодно-дуговому захисному покритті TiAlN для трибологічних застосувань. Східно-європейський фізичний журнал, (2), 398-406. https://doi.org/10.26565/2312-4334-2024-2-51
Номер
№ 2 (2024): Східно-європейський фізичний журнал
Розділ
Статті

Авторське право (c) 2024 Ольга Максакова, Вячеслав Береснєв, Сергей Литовченко, Марія Чапловичова, Любомир Чаплович, Мартін Куси, Іріна Дoщечкина

Ліцезія Creative Commons

Цю роботу ліцензовано за Міжнародня ліцензія Creative Commons Attribution 4.0.

Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:

    • Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
    • Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
    • Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).