Научная статья на тему 'Получение нанокомпозитных покрытий на основе системы Ti-Al-Si-N с помощью двух магнетронов'

Получение нанокомпозитных покрытий на основе системы Ti-Al-Si-N с помощью двух магнетронов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
577
223
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
нанокомпозитные покрытия / магнетронное осаждение / химический состав / фазовый состав / микротвердость покрытия / нитрид титана-алюминия / нитрид алюминия-кремния / nanocomposite coatings / magnetron sputtering / chemical composition / phase composition / microhardness of coating / nitride of titanium-aluminum / nitride of aluminum-silicon

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Воронов Андрей Викторович, Сергеев Виктор Петрович, Сергеев Олег Викторович, Нейфельд Василий Викторович, Параев Юрий Николаевич

Путём вакуумного магнетронного осаждения при одновременной работе двух магнетронов получены нанокомпозитные покрытия на основе системы Ti-Al-Si-N. Исследовано влияние параметров магнетронного распыления разных мишеней на химический состав и микротвердость покрытия. С помощью рентгеноструктурного анализа определен фазовый состав и средний размер субзёрен основной фазы в полученных покрытиях

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Воронов Андрей Викторович, Сергеев Виктор Петрович, Сергеев Олег Викторович, Нейфельд Василий Викторович, Параев Юрий Николаевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Ti-Al-Si-N.Nanocomposite coatings on the basis of the system Ti-Al-Si-N have been obtained by vacuum magnetron deposition at simultaneous operation of two magnetrons. Influence of magnetron sputtering parameters of various targets on chemical composition and microhardness of coatings was studied. Phase composition and average size of subgrains of the main phase in the obtained TiAlSiN coatings was determined by X-ray analysis

Текст научной работы на тему «Получение нанокомпозитных покрытий на основе системы Ti-Al-Si-N с помощью двух магнетронов»

УДК 539.234;621.793.1

ПОЛУЧЕНИЕ НАНОКОМПОЗИТНЫХ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ СИСТЕМЫ Ti-Al-Si-N С ПОМОЩЬЮ ДВУХ МАГНЕТРОНОВ

А.В. Воронов, В.П. Сергеев*, О.В. Сергеев, В.В. Нейфельд, Ю.Н. Параев

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск *Томский политехнический университет E-mail: retc@ispms.tsc.ru

Путём вакуумного магнетронного осаждения при одновременной работе двух магнетронов получены нанокомпозитные покрытия на основе системы Ti-Al-Si-N. Исследовано влияние параметров магнетронного распыления разных мишеней на химический состав и микротвердость покрытия. С помощью рентгеноструктурного анализа определен фазовый состав и средний размер субзёрен основной фазы в полученных покрытиях Ti-Al-Si-N.

Ключевые слова:

Нанокомпозитные покрытия, магнетронное осаждение, химический состав, фазовый состав, микротвердость покрытия, нитрид титана-алюминия, нитрид алюминия-кремния.

Key words:

Nanocomposite coatings, magnetron sputtering, chemical composition, phase composition, microhardness of coating, nitride of tita-nium-aluminum, nitride of aluminum-silicon.

Введение

Для повышения износостойкости режущего инструмента широко используют покрытия на основе нитрида титана. При высоких скоростях резания из-за низкой окислительной стойкости на поверхности покрытия TiN начинает расти хрупкий слой оксида титана, который из-за низкой адгезионной и когезионной прочности быстро разрушается. В настоящее время на основе TiN разрабатывается новый класс покрытий - многокомпонентные наноструктурные, получаемые с помощью магнетрон-ных методов распыления мишеней из металлических сплавов, включающих кроме титана другие элементы, такие, как А1, Zr, Щ Сг, V, №, Si и др. [1, 2].

Такие покрытия, например, на основе ТьА1-^ при определенном соотношении в кристаллической решетке атомов титана и алюминия, проявляют уникальное сочетание свойств. Они характеризуются высокой твёрдостью, износостойкостью, окислительной стойкостью, термической стабильностью и, одновременно, высоким коэффициентом упругого восстановления и низким коэффициентом трения [3, 4]. Изготовление многоэлементных сплавных мишеней для получения подобных покрытий сопряжено со значительными техническими и технологическими трудностями. Поэтому, в данной работе для нанесения покрытий использовали мишени из промышленных материалов: титана ВТ-1-0 и алюминиевого сплава АК-12. Управление структурой и фазовым составом покрытия осуществляется выбором режимов распыления мишеней при одновременной работе магнетронов, парциальных давлений рабочей газовой смеси и температуры подложки, приложением к подложке напряжения смещения.

Целью настоящей работы являлось исследование возможности получения нанокомпозитных покрытий ТьА1^^ при одновременной работе двух

магнетронов с мишенями разного состава и изучение влияния параметров осаждения на структурнофазовое состояние, химический состав и микротвердость покрытий.

Материалы и методика эксперимента

Осаждение покрытий проводили на установке вакуумного напыления типа «Квант» [5]. В основе работы схемы осаждения лежит одновременное напыление покрытия с помощью двух магнетронов с мишенью из титана ВТ-1-0 и мишенью из сплава АК-12, содержащего алюминий (90 вес. %) и кремний (10 вес. %) диаметром 120 мм. Питание магнетронов осуществлялось от источников постоянного тока, оснащённых системой защиты от микродуг. Магнетроны располагались по периметру цилиндрической вакуумной камеры (рис. 1) под углом 120° друг относительно друга и под углом 120° относительно нагревателя. Образец помещали вдоль вертикальной оси камеры и вращали в процессе напыления вокруг нее с постоянной угловой скоростью со скоростью до 10 об/мин. Дистанция напыления для обоих магнетронов составляла 60 мм. Мощность разряда магнетрона поддерживалась в пределах 0,5...2 кВт. Покрытия осаждали в реактивной среде из смеси газов аргона и азота при общем давлении 0,3 Па и парциальном давлении азота 0,03...0,06 Па.

Нагрев образцов в вакуумной камере перед напылением и поддержание температуры в процессе напыления покрытия осуществляли с помощью молибденового нагревателя (рис. 1). Измерение температуры выполнялось с использованием хро-мель-алюмелевой термопары с точностью ±5 °С. Покрытия осаждались на нагретые до температур 300 °С подложки, к которым дополнительно прикладывался постоянный потенциал смещения ^=-100 В.

- м агн ет^

т

Рис. 1. Схема напыления покрытия 7/-Д/-5/-Л/

В качестве подложек служили образцы в виде параллелепипедов с размерами 6x6x15 мм из подшипниковой стали ШХ-15, закаленной и отпущенной согласно стандартному режиму. Рабочие поверхности образцов шлифовали и полировали до Ла=0,08 мкм. Перед помещением в вакуумную камеру образцы подвергались обезжириванию органическими растворителями, промывке этиловым спиртом и сушке. С целью уменьшения влияния случайных ошибок эксперимента на полученные результаты при каждом режиме напыления было получено и исследовано по 5-6 образцов.

Рентгеноструктурный и рентгенофазовый анализ (РСА) проводился с помощью дифрактометра ДРОН-7 в интервале углов 20...140° в фильтрованном Со-Ка-излучении. Микротвёрдость покрытий измеряли с помощью нанотвердомера №поИаг-ёпе88Те81;ег фирмы CSM. Концентрационные профили элементов по толщине покрытия исследовались масс-спектрометром вторичных ионов МС-7201М в режиме травления пучком ионов аргона.

Результаты эксперимента и обсуждение

При осаждении покрытия по реализуемой в данной работе схеме (рис. 1) возможно получение как однородного по составу покрытия, так и с чередующимися по составу слоями. Чтобы происходило эффективное перемешивание напыляемых монослоев, и нанокомпозитное покрытие получалось однородным с минимальными внутренними напряжениями, необходимо было выбрать оптимальную скорость вращения образца при применяемых мощностях распыления магнетронов. Поскольку они лежат в пределах 0,5...2 кВт, то при скорости вращения образца 6 об/мин, скорость нанесения будет составлять 0,6...6 нм/с. В этом случае толщина напыляемых монослоев может лежать в пределах 5...40 нм. В результате, если не будет эффективного перемешивания разнородных потоков распыляемых материалов, то покрытие должно получиться многослойным из чередующихся слоев Т^ и А1^ьК Для того, чтобы определить необходимую скорость вращения образца, были выполнены исследования методом масс-спектрометрии вторичных ионов (МСВИ) концентрационных профилей покрытий, полученных при разных скоростях вращения. В этом случае покрытие будет получаться однородным без колебаний концентрации элементов по толщине.

Анализ концентрационных профилей распре -деления составляющих покрытие элементов (рис. 2) показывает, что, начиная от скорости вращения образца 6 об/мин, концентрация Т и А1 остается постоянной в пределах экспериментальной погрешности при увеличении глубины травления покрытия пучком ионов аргона в измерительной камере спектрометра. Это позволяет сделать вывод о том, что при осаждении покрытия толщина отдельных слоев получается достаточно малой, так что за время осаждения покрытия при температуре подложки 300 °С происходит эффективное выравнивание химического состава покрытия по толщине. Следовательно, при выбранных режимах осаждения покрытия получаются однородным по химическому составу.

1НС19

1 НС-23

1 НС-31

И, нм

70 у

50

СО

30

о

20

10

о т

20

40 И, нм

60 80

60 50 40 30 ' 20 ^ 10 0

Рис. 2. Распределение элементов V (♦), Al (А) и N (•) в поверхностном слое покрытий Ti-Al-Si-N на образцах 1НС19, 1НС23, 1НС31

0

Для изучения строения и свойств получающихся покрытий концентрацию Т1, А1 и Si варьировали изменением токов разряда магнетронов. Сначала при максимально возможном значении тока разряда магнетрона с титановой мишенью увеличивали ток разряда магнетрона с алюминиево-кремниевой мишенью от минимально до максимально возможного. Затем при максимально возможном токе магнетрона с алюминиево-кремниевой мишенью уменьшали ток разряда магнетрона с титановой мишенью.

Исследование химического состава покрытий методом МСВИ показало, что изменение соотношения токов разряда магнетронов может изменять его в значительной мере (таблица). При этом концентрация азота в покрытии остаётся на постоянном уровне 55±1 ат. %. Прохождение всего диапазона вариации токов разряда магнетронов приводит к уменьшению концентрации титана в покрытии в ~3 раза, и к увеличению алюминия - в ~10 раз. Таким образом, исследуемым методом напыления можно получить многоэлементные покрытия в интервале составов от почти чистого ТК, а точнее от Б0,42А10,0зЧ,55, до Т10,15Д10,31К0,54. Метод МСВИ обладает низкой чувствительностью к ионам кремния, а поскольку их относительная концентрация в ~10 раз ниже концентрации алюминия, то она оказывается за порогом обнаружения.

При исследовании фазового состава и структуры с помощью РСА путём индицирования дифрак-тограммы (рис. 3) в покрытии ТьД1^ьК (образец 1НС31) обнаружено наличие трёх фаз:

• твёрдый раствор ТьД1-К с кубической решеткой

типа №С1 и параметром решётки а=0,422 нм;

• ДШ с гексагональной решеткой типа Р63/тс с параметрами а=0,3114 нм и с=0,4979 нм;

• Si3N4 с гексагональной решеткой типа Р31С с параметрами решетки а=0,7754 нм, и с=0,5622 нм.

Таблица. Химический состав покрытий Т1-А—Ы при разных значениях токов разряда магнетронов с мишенями из титана и алюминиевого сплава АК-12

№ образца Т, а /аб^ А СТ|, ат. % Сд|, ат. % См, ат. %

1НС23 4 2 42 3 55

1НС21 4 3 39 7 54

1НС19 4 4 35 10 55

1НС18 4 4,5 32 13 55

1НС28 3,5 4,5 28 16 56

1НС29 3 4,5 29 15 56

1НС30 2,5 4,5 20 25 55

1НС31 2 4,5 15 31 54

Оценка среднего размера зерен основных фаз по уширению дифракционных линий [6] дает величину от 5 до 20 нм.

Результаты измерения микротвёрдости поверхностного слоя покрытий, полученных при разных значениях разности токов (/Ш-/Г1) разряда магнетронов, приведены на рис. 4. По графику изменения микротвёрдости в координатах Д1-(/Д]81-/Т1), можно заметить, что с ростом разности токов (/Д]81-/Т1), что эквивалентно увеличению концентрации атомов Д1 и Si в покрытии, микротвердость вначале повышается, достигая максимального значения 35,1 ГПа при /Т1=3,5 А и /А]81=4,5 А, а затем вновь понижается.

1,0

5 0,8-

0,6-

0,4-

0,2-

0,0-

а-Ге (110)

АШ (110) 81Д(102) Т1АЩ1Ш Т1АЩ200) А1Щ101) , а-Ге (200) 81N (310) 1 3 4 А1Щ02) A1N(110) Д

“ | | | | 1 | | | | 1 | | | | 1 | | | | 1 | | | | 1 | | | | 1 | | | | 1 | | | | 1 | | | | 1 | | | | 1 | | | | 1 | | | | 1 | | | | 1 | | | | 1 | | | |

20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95

20, град

Рис. 3. Дифрактограмма покрытия Т-А—Ы на образце 1НС31

Рис. 4. Изменение микротвердости Н покрытий Л-А-^-Ы с ростом разности токов (1дК1-1Т)

Появление максимума микротвёрдости при соотношении между концентрациями Д1 и Т1, равном 36 и 64 ат. %, объясняется тем, что в этой области химических составов в покрытии достигается определенное соотношение между фазами ТьД!^ и ДВД,

приводящее к наиболее эффективной сегрегации фазы ДШ по границам зерен ТьД1-К, за счет которой происходит торможение роста последних. Это приводит к формированию нанокристаллической структуры покрытия с наименьшим размером зерен и, соответственно, к упрочнению покрытия [2, 3].

Выводы

1. С помощью одновременного осаждения при общем давлении смеси газов 0,3 Па (аргон-азот) с использованием двух магнетронов с мишенями из титана ВТ-1-0 и алюминиевого сплава АК-12 при 300 °С получены нанокомпозитные покрытия ТьЛ1^ьК, состоящие из фаз ТьД1-К, ДВД и SiзN4 с размером зерен в пределах 5...20 нм и однородным по глубине покрытия химическим составом.

2. Установлен характер зависимостей химического состава и микротвердости нанокомпозитных покрытий от соотношения токов разряда обоих магнетронов.

3. Определено оптимальное соотношение токов разряда магнетронов и скорости вращения образцов для получения однородного покрытия с наименьшим размером зерна и, в тоже время, имеющих наибольшую микротвердость.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Штанский Д.В., Левашов Е.А. Многокомпонентные наноструктурные тонкие пленки: проблемы и решения. // Известия вузов. Цветная металлургия. - 2001. - № 3. - С. 52-57.

2. Musil J. Hard and superhard nanocomposite coatings // Surf. Coat. Tehnol. - 2000. - V. 125. - P. 322-330.

3. PalDey S., Deevi S.C. Single layer and multilayer wear resistant coatings of (Ti, Al)N // Material Science and Engineering. - 2003. -V. A342. - P. 58-79.

4. Сергеев В.П., Федорищева М.В., Воронов А.В., Сергеев О.В., Яновский В.П., Псахье С.Г. Трибомеханические свойства и структура нанокомпозитных покрытий Ti1-xAlxN // Известия

Томского политехнического университета. - 2006. - Т. 309. -№ 2. - С. 149-152.

5. Сергеев В.П., Яновский В.П., Параев Ю.Н., Сергеев О.В., Козлов Д.В., Журавлев С.А. Установка ионно-магнетронного напыления нанокристаллических покрытий (КВАНТ) // Физическая мезомеханика. - 2004. - Т. 7. - Спец. выпуск, Ч. 2. -С. 333-336.

6. Горелик С.С., Скаков Ю.А., Расторгуев Л.Н. Рентгенографический и электроннооптический анализ. - М.: МИСИС, 1994. -321 с.

Поступила 30.03.2009 г.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.