Огляд вакуумно-дугових багатошарових покриттів з високими характеристиками міцності та адгезійними властивостями
Анотація
На прикладі системи покриттів TiSiN/MeN (Me = Cr, Nb, W, Mo, TiZr) проаналізовано результати створення багатошарових покриттів з наношарами різного функціонального призначення, які потребують системного підходу до розуміння ролі обраних матеріалів, умов росту, мікроструктури та необхідних властивостей. Нанорозмірні межі зерен, когерентні міжшарові границі та зміни стовпчастої морфології на мікрорівні суттєво змінюють фізико-механічні властивості покриттів. Для всіх покриттів спостерігається покращення механічних характеристик (твердість, модуль пружності) за рахунок утворення нанорозмірної фази (яка додатково перешкоджає руху дислокацій разом з нанокомпозитом TiSiN). Крім того, зафіксована невідповідність кристалічних граток окремих шарів ефективно сприяє зміцненню внаслідок утворення зміних полів напружень і пружних деформацій. Дослідженнями визначено оптимальні умови формування покриттів у широкому діапазоні тиску рекційного газу (азоту) та потенціалу зміщення, що також дозволило встановити фактори структурних змін та експлуатаційні характеристики, які будуть оптимальними для їх промислового використання.
Завантаження
Посилання
A.S. Manokhin, S.A. Klymenko, V.M. Beresnev, S.An. Klymenko, M.Yu. Kopeykina, V.O. Stolbovoy, and S.V. Litovchenko, Cutting tools made of composites based on cubic boron nitride with a coating, (Naukova dumka, Publishing House of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, NVP, 2023).
A.S. Manokhin, S.A. Klimenko, S.An. Klimenko, and V.M. Beresnev, “Promising Types of Coatings for PCBN Tools, J. Superhard Mater. 40, 424–431 (2018). https://doi.org/10.3103/S1063457618060084
A.S. Manokhin, S.A. Klimenko, V.M. Beresnev, et al., “Wear Rate of PcBN Cutting Tools Equipped with Nanolayered Protective Coatings,” J. Superhard Mater. 42, 423–431 (2020). https://doi.org/10.3103/S1063457620060076
A. Cavaleiro, Nanostructured Coatings, (Springer-Verlag, 2006).
A.D. Pogrebnjak, O.M. Ivasishin, and V.M. Beresnev, “Arc-evaporated nanoscale multilayer nitride-based coatings for protection against wear, corrosion, and oxidation,” Uspehi Fiziki Metallov, 17(1), 1–28 (2016). http://dx.doi.org/10.15407/ufm.17.01.001
O.V. Maksakova. O.D. Pogrebnjak, and V.M. Beresnev, “Features of Investigations of Multilayer Nitride Coatings Based on Cr and Zr,” Usp. Fiz. Met. 19(1), 25-48 (2018). https://doi.org/10.15407/ufm.19.01.025
W. Cheng, J. Wang, X. Ma, P. Liu, P.K. Liaw, and W. Li, “A review on microstructures and mechanical properties of protective nano-multilayered films or coatings,” Journal of Materials Research and Technology, 27, 2413-2442 (2023). https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.10.012
J.W. Du, L. Chen, J. Chen, and Y. Du, “Mechanical properties, thermal stability and oxidation resistance of TiN/CrN multilayer coatings,” Vacuum, 179, 109468 (2020). https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2020.109468
S. Veprek, M.G.J. Veprek-Hejman, P. Kavrankova, and J. Prohazka, “Different approaches to superhard coatings and nanocomposites,” Thin Solid Films, 476(1), 1–29 (2005). https://doi.org/10.1016/j.tsf.2004.10.053
Y.Y. Chang, H. Chang, L.J. Jhao, and C.C. Chuang, “Tribological and Mechanical Properties of Multilayered TiVN/TiSiN Coatings Synthesized by Cathodic Arc Evaporation,” Surf. Coat. Technol. 350, 1071–1079 (2018). https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2018.02.040
M.S. Ahmed, Z.-F. Zhou, P. Munroe, L.K.Y. Li, and Z. Xie, “Control of the damage resistance of nanocomposite TiSiN coatings on steels: Roles of residual stress,” Thin Solid Films. 519(15), 5007-5012 (2011). https://doi.org/10.1016/j.tsf.2011.01.070
J. Bull, “Failure mode maps in the thin film scratch adhesion test,” Tribology International, 30(7), 491-498 (1997). https://doi.org/10.1016/S0301-679X(97)00012-1
I. Aksyonov, A.O. Andreev, V.A. Bilous, V.E. Strelnytskyi, and V.M. Khoroshikh, Вакуумна дуга: джерела плазми, осадження покриттів, поверхневе модифікація, [Vacuum arc: plasma sources, deposition of coatings, surface modification], (Naukova Dumka, Kyiv, 2012). (in Ukrainian)
K Holmberg, Matthews Coatings tribology: properties, mechanisms, techniques and applications in surface engineering, Tribology and interface engineering series, vol. 56, (Elsivier, 2009).
Q. Wan, B. Yang, H.D. Liu, J. Chen, and J. Zhang, “Microstructure and adhesion of MeN/TiSiN (Me = Ti, Cr, Zr, Mo, NbxAl1−x) multilayered coatings deposited by cathodic arc ion plating,” Applied Surface Science, 497(15), 143602 (2019). https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.143602
S.-M. Yang, Y.-Y. Chang, D.-Y. Lin, D.-Y. Wang, and W. Wu, “Mechanical and tribological properties of multilayered TiSiN/CrN coatings synthesized by a cathodic arc deposition process,” Surf. Coat. Technol. 202(10), 2176–2181 (2008). https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2007.09.004
C.L. Chang, W.C. Chen, P.C. Tsai, W.Y. Ho, and D.Y. Wang, “Characteristics and performance of TiSiN/TiAlN multilayers coating synthesized by cathodic arc plasma evaporation,” Surf. Coatings Technol. 202, 987-992 (2007). https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2007.06.024
Y.X. Xu, L. Chen, F. Pei, Y. Du, “Structure and thermal properties of TiAlN/CrN multilayered coatings with various modulation ratios,’ Surface and Coatings Technology. 304, 512-518 (2016). https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2016.07.055
A.S. Çam, T.O. Ergüder, G. Kaya, and F. Yıldız, “Improvement of structural/tribological properties and milling performances of tungsten carbide cutting tools by bilayer TiAlN/TiSiN and monolayer AlCrSiN ceramic films,” Ceramics International, 48(18), 26342-26350 (2022). https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.05.318
R. Pu, Z. Yu, X. Hao, J. Yan, Z. Han, J. Tan, L. Lu, et al., “Effect of Si content on microstructure, mechanical properties, and cutting performance of TiSiN/AlTiN dual-layer coating,” J. Manuf. Process, 88, 134 (2023). https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2023.01.022
O. Maksakova, V. Beresnev, S. Lytovchenko, and D. Kaynts, “A Comparative Study of Microstructure and Properties of TiZrN/NbN and TiSiN/NbN Nanolaminate Coatings,” in: Nanocomposite and Nanocrystalline Materials and Coatings. Advanced Structured Materials, edited by A.D. Pogrebnjak, Y. Bing, and M. Sahul, vol. 214. (Springer, Singapore, 2024). pp. 163-180. https://doi.org/10.1007/978-981-97-2667-7_6
D.V. Horokh, O.V. Maksakova, S.A. Klimenko, S.V. Lytovchenko, V.M. Beresnev, and O.V. Glukhov, “The Influence of the bias potential answorking gas pressure on the properties of the ion-plasma multilayer coating TiSiN/NbN,” Journal of Superhard Materials, 44(6), 413–420 (2022). https://doi.org/10.3103/S1063457622060041
V.M. Beresnev, S.V. Lytovchenko, O.V. Maksakova, A.D. Pogrebnjak, D.V. Horokh, and U.S. Shvets, “Microstructure and High-hardness Effect in TiSiN/NbN Nanomultilayers: Experimental Research,” in: 2021 IEEE 11th International Conference Nanomaterials: Applications & Properties (NAP), (Odessa, Ukraine, 2021), pp. 1-4, https://doi.org/10.1109/NAP51885.2021.9568502
V.M. Beresnev, O.V. Maksakova, S.V. Lytovchenko, S.A. Klymenko, D.V. Horokh, A.S. Manohin, B.O. Mazilin, et al., “Correlating Deposition Parameters with Structure and Properties of Nanoscale Multilayer (TiSi)N/CrN Coatings,” East European Journal of Physics, (2), 112-117 (2022). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2022-2-14
D.V. Horokh, O.V. Maksakova, V.M. Beresnev, S.V. Lytovchenko, S.A. Klimenko, V.V. Grudnitsky, I.V. Doshchechkina, et al., “Influence of annealing on the physical and mechanical properties of (TiSi)N/CrN multilayer coatings produced by cathodic arc physical vapour deposition, High Temperature Material Processes, 27(4), 1-14 (2023). https://doi.org/10.1615/HighTempMatProc.2022046618
М. Beresnev, S.V. Lytovchenko, O.V. Maksakova, A.D. Pogrebnjak, V.А. Stolbovoy, S.A. Klymenko, and L.G. Khomenko, “Microstructure and high-hardness effect in WN-based coatings modified with TiN and (TiSi)N nanolayers before and after heat treatment: experimental investigation,” High Temperature Material Processes, 25(4), 61–72 (2021). https://doi.org/10.1615/HighTempMatProc.2021041565
M. Sahul, B. Bočáková, K. Smyrnova, M. Haršáni, M. Sahul, M. Truchly, M. Kusý, et al., “The Influence Of Multilayer Architecture On The Structure And Mechanical Properties Of WN X /TiSN Coatings In Comparison With WNX and TiSiN Single Layers,” Journal of Physics Conference Series, 2413(1), 012013 (2022). https://doi.org/10.1088/1742-6596/2413/1/012013
L. Rogström, N. Ghafoor, J. Schroeder, N. Schell, J. Birch, M. Ahlgren, and M. Odén, “Thermal Stability of Wurtzite Zr1−xAlxN Coatings Studied by In Situ High-Energy X-Ray Diffraction during Annealing,” J. App. Phys. 118, 035309 (2015). https://doi.org/10.1063/1.4927156
V.M. Beresnev, S.V. Lytovchenko, D.V. Horokh, B.O. Mazilin, V.A. Stolbovoy, I.N. Kolodiy, D.A. Kolesnikov, et al., “Tribotechnical properties of (TiZr)N/(TiSi)N multilayer coatings with nanometer thickness,” Journal of Nano- and Electronic Physics, 11(5), 05037 (2019). https://doi.org/10.21272/jnep.11(5).05037
V.M. Beresnev, S.V. Lytovchenko, B.O. Mazilin, D.V. Horokh, V.A. Stolbovoy, D.A. Kolesnikov, I.V. Kolodiy, et al., “Adhesion strength of TiZrN/TiSiN nanocomposite coatings on a steel substrate with transition layer,” Journal of Nano- and Electronic Physics, 12(4), 04030 (2020). https://doi.org/10.21272/jnep.12(4).04030
O.V. Maksakova, S. Zhanyssov, S.V. Plotnikov, P. Konarski, P. Budzynski, A.D. Pogrebnjak, V.M. Beresnev, et al., “Microstructure and tribomechanical properties of multilayer TiZrN/TiSiN composite coatings with nanoscale architecture by cathodic-arc evaporation,” J. Matirial. Sci. 56, 5067–5081 (2021). https://doi.org/10.1007/s10853-020-05606-2
V.M. Beresnev, O.V. Sobol, A.A. Meylekhov, A.A. Postelnik, V.Yu. Novikov, Y.S. Kolesnikov, V.A. Stolbovoy, et al., “Effect of Pressure of Nitrogen Atmosphere During the Vacuum Arc Deposition of Multiperiod Coatings (Ti, Si)N/MoN on their Structure and Properties,” J. Nano- Electron. Phys. 8(4), 04023 (2016). https://doi.org/10.21272/jnep.8(4(1)).04023
V.M. Beresnev, U.S. Nyemchenko, P.O. Srebniuk, S.V. Lytovchenko, and O.V. Sobol, “Study of influence physical and technological parameters of deposition on the structure, physical and mechanical properties of vacuum-arc coatings (Mo + Ti6%Si)N,” in: Proceegings of 6-th International Conference Nanomaterials: Applications and Properties, 5(1), 01FNC08 (2016). https://doi.org/10.1109/NAP.2016.7757226
О.V. Sobol, A.A. Meylehov, A.A. Postelnyk, S.V. Litovchenko, P.A. Srebniuk, U.S. Nyemchenko, and V.M. Beresnev, “Effect of Deposition Process Parameters and High-temperature annealing on the structure and proprerties of (TiSi)MoN vacuum-arc coatings,” in: Proceegings of 2017 IEEE 7-th International Conference Nanomaterials: Applications and Properties (NAP-2017), (Zatoka, 2017). https://doi.org/10.1109/NAP.2017.8190211
V.М. Beresnev, S.А. Кlimenko, О.V. Sоbоl, S.V. Litovchenko, А.D. Pogrebnjak, P.А. Srebnyuk, D.А. Кolesnikov, et al., “Influence of the High-temperature annealing on the structure and mechanical properties of vacuum-arc coatings from (Мо/Ti, 6 wt.% Si)N,” J. Superhard Materials, 39(3), 172-177 (2017). https://doi.org/10.3103/S1063457617030042
S. Carvalho, L. Rebouta, E. Ribeiro, F. Vaz, C.J. Tavares, E. Alves, N.P. Barradas, et al., “Structural evolution of Ti–Al–Si–N nanocomposite coatings,” Vacuum, 83(10), 1206–1212 (2009). https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2009.03.009
V.M. Beresnev, S.A. Klimenko, I.N. Toryanik, A.D. Pogrebnjak, O.V. Sobol, P.V. Turbin, and S.S. Grankin, “Superhard coatings of the (Zr–Ti–Si)N and (Ti–Hf–Si)N systems produced by vacuum–arc deposition from a separated flow,” J. Superhard Mater. 36(1), 29–34 (2014). https://doi.org/10.3103/S1063457614010055
Авторське право (c) 2024 О.В. Максакова, С.В. Литовченко, В.М. Береснєв, С.А. Клименко, Д.В. Горох, Б.О. Мазілін, М.Ю. Копєйкіна, С. Ан. Клименко, В.В. Грудницький, О.В. Глухов, Р.С. Галушков
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).
