Вплив тиску азоту на адгезію та механізми руйнування при скретч-тестуванні багатошарових покриттів TiMoN/NbN, осаджених методом катодно-дугового PVD
Анотація
Багатошарові нітридні покриття широко використовуються для покращення механічних властивостей і довговічності інженерних компонентів, що працюють в умовах інтенсивного трибологічного навантаження. У цій роботі досліджено адгезійну поведінку та механізми руйнування наношарових багатошарових покриттів TiMoN/NbN, осаджених методом катодно-дугового PVD, залежно від робочого тиску азоту. Два покриття були синтезовані при тисках азоту 0,52 Па та 0,13 Па за інших однакових умов осадження. Мікроскопічний аналіз показав, що обидва покриття мають добре виражену наношарову архітектуру, що складається з чергування шарів TiMoN та NbN з періодом модуляції приблизно 85 нм і загальною товщиною близько 9,5 мкм. Зменшення тиску азоту призводить до більшої густини макрочасток через більшу довжину вільного пробігу плазмових частинок катодно-дугового розряду. Скретч-тести адгезії, виконані в умовах поступового збільшення навантаження, дозволили ідентифікувати дві характерні події руйнування, що відповідають зародженню тріщин та відшаруванню, що спричинені втрачанням стійкості. Багатошарове покриття, осаджене при 0,13 Па, продемонструвало дещо кращу стійкість до зародження тріщин (5,41 Н) порівняно з багатошаровим покриттям, осадженим при 0,52 Па (4,72 Н). Однак обидва покриття демонстрували подібні значення другого критичного навантаження (12,4–12,5 Н). Багатошарове покриття, осаджене при вищому тиску азоту, переважно зазнає адгезійного руйнування з інтенсивним оголенням підкладки, тоді як багатошарове покриття, осаджене при нижчому тиску азоту, демонструє переважно когезійні пошкодження всередині багатошарової структури. Отримані результати демонструють, що тиск азоту під час катодно-дугового осадження суттєво впливає на еволюцію мікроструктури та механізми адгезійного руйнування в багатошарових покриттях TiMoN/NbN. Дослідження надає уявлення щодо оптимізації параметрів осадження для покращення механічної надійності багатошарових нітридних покриттів.
Завантаження
Посилання
J. Xu, et al., “Tribological Properties of MoN/TiN Multilayer Coatings Prepared via High-Power Impulse Magnetron Sputtering,” Lubricants, 13(8), 319 (2025). https://doi.org/10.3390/lubricants13080319
T. Borowski, et al., “Influence of Magnetron Sputtering-Deposited Niobium Nitride Coating and Its Thermal Oxidation on the Properties of AISI 316L Steel in Terms of Its Medical Applications,” Materials, 16, 6890 (2023). https://doi.org/10.3390/ma16216890
J. Chen, et al., “Excellent Anti-Corrosion and Conductivity of NbN Coated on Ti Bipolar Plate by Controlling N₂ Flow Rates,” Journal of Alloys and Compounds, 976, 173033 (2024). https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2023.173033
J.M. Gonzalez-Carmona, et al., “TiNbN Hard Coating Deposited at Varied Substrate Temperature by Cathodic Arc: Tribological Performance under Simulated Cutting Conditions,” Materials, 16, 4531 (2023). https://doi.org/10.3390/ma16134531
T. Borowski, et al., “Properties of Oxidised NbN Coating Produced by Magnetron Sputtering on AISI 316L Steel in View of Its Biomedical Applications,” SSRN preprint, (2023). https://doi.org/10.2139/ssrn.4391424
J. Van Meter, et al., “Wear and Adhesion of PEALD Titanium Molybdenum Nitrides (TiMoN) Films,” Wear, 570, 205980 (2025). https://doi.org/10.1016/j.wear.2025.205980
J.M. González-Carmona, et al., “Wear mechanisms identification using Kelvin probe force microscopy in TiN, ZrN, and TiN/ZrN hard ceramic multilayer coatings,” Ceramics International, 46(15), 24592–24604 (2020). https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.06.248
K. Smyrnova, et al., “Microstructure, Mechanical and Tribological Properties of Advanced Layered WN/MeN (Me = Zr, Cr, Mo, Nb) Nanocomposite Coatings,” Nanomaterials, 12(3), 395 (2022). https://doi.org/10.3390/nano12030395
A.A. Sugumaran, et al., “TiN/NbN Nanoscale Multilayer Coatings Deposited by High Power Impulse Magnetron Sputtering to Protect Medical-Grade CoCrMo Alloys,” Coatings, 11(7), 867 (2021). https://doi.org/10.3390/coatings11070867
P.E. Hovsepian, et al., “Microstructure and load-bearing capacity of TiN/NbN superlattice coatings deposited on medical-grade CoCrMo alloy by HIPIMS,” Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 132, 105267 (2022). https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2022.105267
Y. Liu. et al., “Multilayer Coatings for Tribology: A Mini Review,” Nanomaterials, 12(9), 1388 (2022). https://doi.org/10.3390/nano12091388
O. Maksakova, et al., “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). https://doi.org/10.1007/978-981-97-2667-7_6
S.-M. Yang, et al., “Microstructure Characterization of Multilayered TiSiN/CrN Thin Films,” Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 8(5), 2688–2692 (2008). https://doi.org/10.1166/jnn.2008.592
Y. Liu, et. al., “Multilayer Coatings for Tribology: A Mini Review,” Nanomaterials, 12, 1388 (2022). https://doi.org/10.3390/nano12091388
Авторське право (c) 2026 О.В. Максакова, В.М. Береснєв, С.В. Литовченко, М. Сахул, М. Чапловичова, 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).
