Многокомпонентные наноструктурированные покрытия на основе нитридов

Для установления влияния элементного состава, способа изготовления многокомпонентной Ti-B-Si мишени, конструктивных и технологических особенностей источников плазмы на структуру и свойства многокомпонентных Ti-B-Si-N слоев покрытий дополнительную ионизацию газа в процессе их формирования осуществляли с использованием различных видов разрядов: высокочастотный разряд МРС двухкамерной установки магнетронного распыления и разряд постоянного тока МРС (см. табл. 1).

2.2.Изменение температуры подложки и подслоя

взависимости от высокого напряжения

ипродолжительности ионной очистки

Поверхность всех тестовых образцов – пластинок из быстрорежущей стали Р6М5, твердого сплава ВК8 и аустенитной стали 12Х18Н10Т (подложка) – подвергали ионной очистке – нагреву одним

51

электродуговым испарителем с катодом из металлических элементов покрытия.

Для диагностики кратковременного процесса ионной очистки перед осаждением двухкомпонентных (TiN, ZrN) слоев покрытий изучали влияние высокого напряжения (Uвыс), подаваемого на подложку в процессе ее ионной очистки, на Тподл и Vнагр.подл.

Для диагностики процесса осаждения подслоя изучали влияние материала подслоя (Ti или Zr), типа и количества источников плазмы на температуру подслоя (Тподсл) после его осаждения.

Технологические параметры ИО подложки и осаждения подслоя перед осаждением двухкомпонентных слоев покрытия: Uвыс = 600 В, L = 270 мм, Р = 0,01 Па, ток на фокусирующей катушке Iф.к = 1,5 А, ток на стабилизирующей катушке Iс.к = 2,5 А, Iд = 80 А, газ – аргон, про-

должительность ИО tИО = 5 мин, Vнагр.подл = 70 К/мин, Тподл = 650 К, материал подслоя Ti для TiN, Zr для ZrN, Тподсл ЭДИ и МР – 615 и 605 К соответственно.

Тподл в процессе ИО увеличивается от комнатной температуры до 650 К, в процессе осаждения подслоя Тподсл уменьшается вне зависимости от его материала: при осаждении методом ЭДИ – до 615 К, мето-

дом МР – до 605 К. При проведении ИО подложки с Uвыс = 600 В, осаждении Ti подслоя магнетронным распылением и проведении крат-

ковременной (5 мин) ионной бомбардировки подслоя, Тподсл восстанавливается до Тподл. В процессе осаждения подслоя электродуговым испарителем Тподсл увеличивается в зависимости от ТехП и продолжительности осаждения.

Сповышением tИО до 30 мин увеличивается как Тподл и Тподсл, так

итемпература слоя покрытия (Тнач.с). Повышение Тнач.с до 650 К воз-

можно при уменьшении скорости термической обработки подложки до Vнагр.подл = 10 К/мин либо увеличении количества источников плазмы при осаждении подслоя. Увеличение только величины Uвыс до 700 В при кратковременной термической обработке такого эффекта не дает, Тподсл повышается только до 635 К. Максимальный подъем Тнач.с в исследуемом интервале ТехП возможен с Uвыс = 1000 В, tИО = 30 мин, осаждении металлического подслоя двумя электродуговыми испарителями или осаждении TiN подслоя в среде реакционного газа.

52

2.3. Изменение температуры двухкомпонентных слоев покрытий в зависимости от ТехП процесса их осаждения,

типа и количества источников плазмы

Общие переменные ТехП процесса: Uсм, L, P, N2/Ar – соотношение газов в газовой смеси. При осаждении слоев покрытия методом ЭДИ переменный параметр – Iд, при осаждении покрытия методом МР – N (мощность магнетронного разряда).

В связи с меньшей скоростью осаждения покрытия в процессе МР температуру слоев покрытий (TiN, ZrN) в процессе ЭДИ на неподвижной подложке измеряли каждые 10 мин при общей продолжительности осаждения (Тпр) 30 мин, в процессе МР – каждые 15 мин при Тпр = = 45 мин пирометром «Смотрич», оптическим микропирометром ВИМП−043м и инфракрасным бесконтактным пирометром «Термикс» (в зависимости от вакуумной установки). Зависимости температуры ZrN слоя покрытия от ТехП процессов ЭДИ, МР и Тпр приведены на рис. 2, 3. Повышение всех ТехП процессов ЭДИ и МР, кроме L приводит

Рис. 2. Температура ZrN покрытия как функция ТехП ЭДИ: а – Iд; б – Uсм;

в – L; г – N2/Ar, %: 90/10 = 9; 70/30 = 2,3; 50/50 = 1; 30/70 = 0,43; д – Р и Tс

53

в г д

Рис. 3. Температура ZrN покрытия как функция ТехП МР: а – N, кВт; б – Uсм, В;

в – L, мм; г – N2/Ar, %: 30/70 = 0,43; 35/65 = 0,54; 40/60 = 0,67; 50/50 = 1,0;

д– P и Tс

кросту Тс. Однако Тс при осаждении слоя покрытия методом МР первые 10 мин процесса не изменяется, а затем увеличивается со скоростью на порядок ниже, чем в процессе ЭДИ. По данной причине в табл. 2 первое значение соответствует Тс через 10 мин ее осаждения.

Таблица 2

ТехП и ТемП осаждения двухкомпонентных покрытий после кратковременной термической обработки подложки

54

625' – температура слоя покрытия после 10 мин его осаждения методом ЭДИ (начальная 615 К) и после 15 мин его осаждения методом МР (началь-

ная 605 К).

*Общие ТехП ЭДИ при осаждении TiN, ZrN слоев: 1,0 Па; 80 А; 200 В; 270 мм; 90 %.

**Общие ТехП МР при осаждении TiN и ZrN слоев: 1,0 Па; 80 В; 100 мм; 35 %; N = 2,03 кВт для TiN слоев; N = 2,09 кВт для ZrN слоев.

55

Двухкомпонентные (TiN, ZrN) слои покрытий методом ЭДИ фор-

мируются в интервале Тс = 620…755 К и Vнагр.с = 1,6…4,7 К/мин, а процесс МР протекает в области более низких ТемП: Тс = 605…635 К

и Vнагр.с = 0,1…0,9 К/мин. В связи с существующей зависимостью Тс от условий термической обработки подложки, осаждения подслоя и самого слоя покрытия: степени ионизации парового потока, комбинированного действия ТехП и энергии, передаваемой в формируемый слой покрытия, его структура и свойства будут различаться с изменением типа источника плазмы и ТемП: Тнач.с и Vнагр.с в процессе осаждения.

2.4. Эксплуатационные характеристики используемых для упрочнения ТИ и ПТ двухкомпонентных слоев покрытий

Износостойкое покрытие с высокой твердостью, высокой энергоемкостью, хорошей термостойкостью, сопротивляемостью к термическим ударам и коррозии используется для упрочнения быстрорежущей стали Р6М5 и твердого сплава ВК8 при обработке титановых и жаропрочных сплавов, поскольку она химически инертна к Ti, теплостойка и имеет низкую теплопроводность. Свойства известных ZrN покрытий приведены табл. 3.

Таблица 3 Физико-механические свойства и внутренние напряжения

вZrN покрытиях (Н – твердость, Е – модуль Юнга, Н/Е – стойкость

покрытия к упругой деформации, σвн – внутренние напряжения, Fкр – критическая нагрузка)

Известно, что высокими ФМС, ИАС и коррозионными свойствами (табл. 4) помимо многокомпонентных покрытий могут обладать и высокоэкономичные высокотвердые покрытия на основе TiN [17, 170– 173, 284–286, 294, 301–308] и ZrN [287–290, 295, 296, 306–310] с ми-

нимальным размером нанокристаллитов (зерен) до 3…5 нм.

56

Таблица 4

Физико-механические свойства, размер ОКР и внутренние напряжения в TiN покрытиях (Н3/Е*2 – стойкость покрытия к пластической деформации)

57

3.УСТАНОВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

ИТЕМПЕРАТУРНЫХ УСЛОВИЙ ФОРМИРОВАНИЯ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ И ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СЛОЕВ МНОГОСЛОЙНЫХ ПОКРЫТИЙ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ТЕРМИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПОДЛОЖКИ

ИКАТОДОВ/МИШЕНЕЙ, ТехП И ТемП ПРОЦЕССА ОСАЖДЕНИЯ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ ИСТОЧНИКА ПЛАЗМЫ

3.1.Методика исследования структуры

иморфологических особенностей поверхности многокомпонентных слоев многослойных покрытий

Для комплексного исследования процесса структурообразования двухкомпонентных (TiN, ZrN) слоев многослойных покрытий при различных ТехП и ТемП термической обработки подложки и их осаждения с использованием электродугового испарителя и/или магнетронного распылителя необходимо использовать электронную микроскопию высокого разрешения:

–сканирующую: растровые микроскопы: аналитический автоэмиссионный Ultra 55 с приставкой EDX-анализа, BS 300 с приставкой для микроанализа EDAX Genesis 2000, Leo1430 VP с энергодисперсион-

ным спектрометром INCA Energy-300, CARL ZEISS LEO 1430 VP, TESLA BS350;

–просвечивающую: микроскоп JEM-200CX;

–атомно-силовую: микроскопы: «Наноскан», Digital Instruments, «Фемтоскан», ТМХ-2100 «ACCUREX», зондовая нанотехнологическая установка «Луч-2»;

–туннельную: НТК «Умка», СММ-2000Т.

58

3.2. Изучение процесса структурообразования двухкомпонентных слоев покрытий на кратковременно нагретой подложке в зависимости от технологических особенностей источника

плазмы, ТехП и ТемП процесса осаждения

3.2.1. Изучение процесса структурообразования двухкомпонентных TiN покрытий в зависимости от ТехП и ТемП процесса ЭДИ

•Изучение влияния содержания азота в газовой смеси (N2 =

=30 %) и созданных ТемП (Тс = 615…660 К = (0,191…0,205)Тпл, Vнагр.с = 1,6 К/мин) на процесс структурообразования TiN покрытий

TiN слои покрытий при формировании их с минимальным содер-

жанием N2 (30 %) в газовой смеси имеют максимальную шероховатость поверхности, вызванную ее эрозией при распылении, и максимальные дефекты в виде нарушения сплошности на границе раздела зерен (рис. 4, а), растрескивания (рис. 4, б) и выкрашивания (рис. 4, в) зерен, зернограничного разрушения слоя (рис. 4, г) вследствие интенсивной ионной бомбардировки.

вг

Рис. 4. Дефекты поверхности TiN слоя покрытия, сформированного ЭДИ при N2 = 30 %. Максимальный размер зерна 4,5×29,0 мкм (Vнагр.подл = 70 К/мин)

59

Формирование поликристаллического TiN слоя покрытия в условиях интенсивной ионной бомбардировки в области самых низких температур Тс = 615…660 К = (0,191…0,205)Тпл (ТплTiN = 3223 К) и ми-

нимальной Vнагр.с = 1,6 К/мин связано с последовательностью следующих стадий (рис. 5): глобулярная с размером глобул до Ø 9,0 мкм (рис. 5, а); объединение глобул с максимальным размером Ø 6,5...7,5 мкм

а б

в

жз

Рис. 5. Стадии структурообразования TiN слоя покрытия методом ЭДИ при N2 = 30 % (а–л). Несплошность («недостаток») материала

слоя покрытия (м) (Vнагр.подл = 70 К/мин) (см. также с. 61)

60