Effect of arc current on mechanical properties of AlCrN coatings deposited using cathodic arc evaporation

The AlCrN coatings were formed using cathodic arc evaporation at constant nitrogen pressure and arc current ranged from 50 to 120 A. Scanning electron microscopy, energy dispersive analysis, X-ray diffractometry, nanoindentation, adhesion tests and friction tests were used to investigate the effect of arc current on surface morphology, composition, structure, and mechanical and tribological properties of coatings. It was found that all coatings present cubic AlCrN with Al/(Al+Cr) ratio independent on arc current. Increase in the arc current results in increase in lattice parameter, crystallite size as well as deposition rate and coating surface roughness. A decrease in hardness with a simultaneous increase in Young's modulus is also observed. The adhesion of the coatings shows a non-linear character with the maximum (108 N) for the coating formed at an arc current of 80 A, which may explain the best wear resistance – the lowest wear rate 1.4·10⁻⁷ mm³/Nm.Покриття AlCrN були осаджені за допомогою катодного дугового випаровування при постійному тиску азоту та струмі дуги в діапазоні від 50 до 120 A. Використовували скануючу електронну мікроскопію, енергодисперсійний аналіз, рентгенівську дифрактометрію, наноіндентування, тести на адгезію та на тертя для дослідження ефекту впливу струму дуги на морфологію поверхні, склад, структуру, механічні та трибологічні властивості покриттів. Було виявлено, що всі покриття містять кубічний AlCrN із співвідношенням Al/(Al+Cr), не залежним від струму дуги. Збільшення струму дуги призводить до збільшення параметра решітки, розміру кристалітів, а також швидкості осадження та шорсткості поверхні покриття. Також спостерігається зниження твердості з одночасним збільшенням модуля Юнга. Адгезія покриттів має нелінійний характер з максимумом (108 Н) для покриття, сформованого при струмі дуги 80 А, що може пояснити найкращу зносостійкість – найменша швидкість зношування 1.4·10⁻⁷ mm³/Нм

Investigation of the influence of Ar pressure on vacuum-arc plasma with Cr-, Cu-, and Zr-cathodes

The work deals with the influence of argon pressure on the ion current of vacuum-arc discharge in the “Bulat-6” setup with Cr-Cu-Zr-cathodes, and also, on the rate of coating deposition on the surfaces being perpendicular and parallel to the plasma stream. It is shown that a substantial decrease in both the ion current density and the rate of coating deposition takes place at Ar pressure above 1 Pa. Consideration is given to the elementary processes occurring during plasma stream-gas target interaction.Досліджено впливи тиску аргону на іонний струм вакуумно-дугового розряду в установці «Булат-6» з Cr-, Cu-, Zr-катодами, а також на швидкість осадження покриттів на поверхні перпендикулярні і паралельні плазмовому потоку. Показано, що істотні зменшення густини іонного струму і швидкості осадження покриттів відбуваються при тиску Ar вище 1 Pa. Розглянуто елементарні процеси, що відбуваються при взаємодії плазмового потоку з газовою мішенню.Исследованы влияния давления аргона на ионный ток вакуумно-дугового разряда в установке «Булат-6» с Cr-, Cu-, Zr-катодами, а также на скорость осаждения покрытий на поверхности, перпендикулярные и параллельные плазменному потоку. Показано, что существенные уменьшения плотности ионного тока и скорости осаждения покрытий происходят при давлении Ar выше 1 Pa. Рассмотрены элементарные процессы, происходящие при взаимодействии плазменного потока с газовой мишенью

Mechanisms of radiation damage and development of structural materials for operating and advanced nuclear reactors

Safety of nuclear reactor (NR) and economic of nuclear power are determined to high degree by structural materials. Study of reasons of change of physical-mechanical properties of materials and of their dimensional stability under irradiation; determination of operation life of elements of nuclear power energetic assemblies in different conditions, selection and development of prospective materials with high radiation resistance are the main objectives of radiation material science. In the presented paper, mechanisms of radiation damage of structural materials for nuclear power and problems of development of radiation-resistant materials for operating and advanced NR of new generation are examined.Безпека ядерних енергетичних установок (ЯЕУ) і економічність атомної енергетики багато в чому визначаються конструкційними матеріалами, з яких виготовлені елементи ЯЕУ. Вивчення причин зміни фізико-механічних властивостей матеріалів і їх розмірної стабільності при опроміненні, визначення ресурсу роботи елементів ЯЕУ в різних умовах, вибір і розробка перспективних матеріалів з високою радіаційною стійкістю є основними завданнями радіаційного матеріалознавства. У представленій статті розглядаються механізми радіаційного пошкодження конструкційних матеріалів ядерної енергетики, проблеми та перспективи створення радіаційно стійких матеріалів для діючих реакторів і реакторів нового покоління.Безопасность ядерных энергетических установок (ЯЭУ) и экономичность атомной энергетики во многом определяются конструкционными материалами, из которых изготовлены элементы ЯЭУ. Изучение причин изменения физико-механических свойств материалов и их размерной стабильности при облучении, определение ресурса работы элементов ЯЭУ в различных условиях, выбор и разработка перспективных материалов с высокой радиационной стойкостью являются основными задачами радиационного материаловедения. В статье рассматриваются механизмы радиационного повреждения конструкционных материалов ядерной энергетики, проблемы и перспективы создания радиационно стойких материалов для действующих реакторов и реакторов нового поколения

Structure and properties of TiOx and TiNxOy coatings formed in vacuum ARC plasma fluxes

The structure, microhardness and protective properties of titanium oxide and titanium oxynitride coatings formed in vacuum arc plasma fluxes depending on the negative potential on the substrate and the oxygen pressure, and also on the oxygen content in the gas mixture (N₂+ O₂) were studied. It is shown that titanium coatings deposited in a pure oxygen atmosphere at the pressure of 0.03 Pa represent a dispersed system of oxides in composition depends on the bias potential of the substrate. Unlike titanium oxide coatings, TiNxOy coatings are single-phase, which lattice parameter varies within the oxygen partial pressure. TiNxOy system has high microhardness (34 GPa), corrosion resistance and decorative properties of the coating deposition at optimal technological parameters.Вивчено структура, мікротвердість та захисні властивості оксидних та оксинітридних титанових покриттів, що утворюються в потоках плазми вакуумної дуги, в залежності від негативного потенціалу на підкладці та тиску кисню, а також від вмісту кисню в газовій суміші (N₂+O₂). Показано, що титанові покриття, осаджені в атмосфері чистого кисню під тиском 3×10⁻² Па, являють собою дисперсну систему оксидів, склад яких залежить від потенціалу зміщення підкладки. На відміну від покриттів з оксиду титану покриття TiNxOy є однофазними, параметр решітки яких залежить від парціального тиску кисню. При оптимальних технологічних параметрах нанесення покриття система TiNxOy має високі мікротвердість (34 ГПа), корозійну стійкість та декоративні властивості.Изучены структура, микротвердость и защитные свойства оксидных и оксинитридных титановых покрытий, образующихся в потоках плазмы вакуумной дуги, в зависимости от отрицательного потенциала на подложке и давления кислорода, а также от содержания кислорода в газовой смеси (N₂+ O₂). Показано, что титановые покрытия, осажденные в атмосфере чистого кислорода при давлении 3×10⁻² Па, представляют собой дисперсную систему оксидов, состав которых зависит от потенциала смещения подложки. В отличие от покрытий из оксида титана покрытия TiNxOy являются однофазными, параметр решетки которых зависит от парциального давления кислорода. При оптимальных технологических параметрах нанесения покрытия система TiNxOy имеет высокую микротвердость (34 ГПа), коррозионную стойкость и декоративные свойства

Morphology and sputtering of tungsten nitrides coatings exposed to deuterium plasma

Processes of sputtering, surface modification and change in the stoichiometric composition of W and WN coatings deposited on stainless steel by cathodic arc evaporation were studied under the influence of low-energy (500 eV/D) deuterium plasma with fluence of (1…4.5)·10²⁴ D₂⁺/m² at room temperature. The composition of the WN coating changes under the influence of deuterium plasma, its enrichment with tungsten up to 100% is observed. Results of erosion studies indicated that the sputtering yields for coatings WN and W are ∼2.4·10⁻² at./ion and to be systematically higher than the published data which were measured for bulk materials.Досліджено вплив низькоенергетичної (500 еВ/D) дейтерієвої плазми з флюенсом (1…4,5)·10²⁴ D₂⁺/m² за кімнатної температури на процеси розпилення, модифікацію поверхні та зміну стехіометричного складу покриттів W і WN, осаджених на нержавіючу сталь катодним дуговим випаровуванням. Опромінення дейтерієвою плазмою змінює склад покриття WN, спостерігається його збагачення вольфрамом до 100%. Результати досліджень ерозії показали, що коефіцієнти розпилення для покриттів WN і W становлять ∼2.4·10⁻² ат./іон і систематично перевищують опубліковані дані для об’ємних матеріалів

Influence of Deuterium Ion Implantation on the Structure and Hardness of Nanocrystalline Films

Titanium nitride based coatings are very attractive for protection of materials in extreme conditions. However, their behavior under different kinds of irradiation is not entirely well understood. In this work, the influence of ion-implanted deuterium on changes of the structure and mechanical properties TiZrN, TiAlSiN, TiAlYN films were investigated. Films were deposited by filtered vacuum arc plasma technique. After deposition all films were irradiated at room temperature with 12 keV D+ ions to dose 1 1018 D/cm2. Composition, structure and nanohardness of the coatings were determined by X-ray fluorescence method, X-ray diffraction and nanoindentation. The effusion of the implanted deuterium was studied by thermal desorption spectroscopy. It is shown that irradiation by deuterium ions does not make structural changes in multicomponent films. Deuterium thermal desorption spectrum of various coatings are substantially different. Nanohardness of all investigated coatings after irradiation and thermal desorption are decreased. When you are citing the document, use the following link http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/3545

Cavitation and erosion resistance of vacuum arc Ti, Ti-Al, Ti-Zr, and Ti-Ni coatings

Studies on the influence of technological parameters (cathode-substrate distance, substrate temperature, bias voltage, arc current) of vacuum-arc titanium deposition coatings have shown that the deposition rate from one cathode is inversely proportional to the square of the distance between the sample and the cathode surface and proportional to the angle of inclination of the sample relative to the normal to the cathode surface. Sputtered titanium coatings at optimal parameters have 1.25 times higher cavitation resistance than bulk titanium. Among the alloyed vacuum-arc coatings TiAl, TiZr, and TiNi, coatings of the TiAl and TiNi systems have the highest resistance to cavitation and abrasive wear.Дослідження впливу технологічних параметрів осадження (відстань катод-підкладка, температури підкладки, напруги зсуву, струму дуги) вакуумно-дугових титанових покриттів показали, що швидкість осадження з одного катода обернено пропорційна квадратові відстані між зразком та поверхнею катода і пропорційна куту нахилу зразка відносно нормалі до поверхні катоду. Титанові покриття, які осадженні при оптимальних параметрах, у 1,25 рази мають вищу кавітаційну стійкість, ніж масивний титан. Серед легованих вакуумно-дугових покриттів TiAl, TiZr і TiNi найбільшу стійкість до кавітаційного та абразивного зносу мають покриття систем TiAl та TiNi

Properties of Coatings Deposited from Filtered Vacuum Arc Plasma with HEA Cathode

Ti-V-Zr-Nb-Hf metallic and nitride films were deposited by filtered vacuum arc plasma from a single equiatomic HEA cathode. The composition, microstructure, mechanical properties, thermal stability and corrosion properties were investigated. The deposited metallic film has a two-phase structure with bcc and hcp-lattice. The nitride films were found to have only an fcc structure. All coatings have nano-grained structures, with grain sizes 5 nm for metallic and 36 nm for nitride. The nitride coatings have a compressive stress of around – 12,5 GPa, high hardness ~ 40 GPa and elastic modulus ~ 450 GPa. After annealing in vacuum in range 400-1200 °C, 3 h for every temperature, hardness decreased to 25 GPa. It was found that both the metallic and nitride coatings exhibited their best corrosion resistance than steel samples in a 3,5 wt. % NaCl solution. The metallic coatings showed better corrosion resistance than the nitride coatings. When you are citing the document, use the following link http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/3532

Effects of Concentration Titanium on Threshold Character of Deuterium Desorption Temperature Range from Mg-based Composites

The plasma evaporation-sputtering method was applied to make composite materials of the Mg-Ti system. The ion-implanted deuterium desorption temperature variations as a function of the component concentration were studied. It has been established that, by introducing titanium into magnesium, the deuterium desorption temperature can be appreciably decreased (to 400-450 K) in comparison with the case of deuterium desorption from magnesium ( 800 K). A step-like shape of the curve of deuterium desorption temperature evidences on the presence of two different structure states of the Mg-Ti system depending on the ratio of components. The deuterium temperature decrease can be caused by filamentary inclusions of insoluble component (titanium) atoms formed in the process of composite making and annealing, providing the deuterium diffusion from the sample at a lower temperature (channels for deuterium diffusion through the surface barrier). The deuterium desorption data obtained on the example of Mg-Ti, Mg-V and Mg-Zr composites provide support for further research into hydrogen storage materials containing low-soluble chemical elements in the alloy component. When you are citing the document, use the following link http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/3550

Comparison of blistering of W bulk and coatings under H₂, D₂ and He plasma irradiation

The surface topography of W bulk prepared by powder sintering (20 μm thickness) and W coatings deposited by cathodic arc evaporation and by argon ion sputtering was studied under the influence of low-energy hydrogen (deuterium) and helium plasma at room temperature. The surface modifications induced by the plasma irradiation were studied by scanning electron microscopy. It was observed formation of blisters and sputtering. After helium and deuterium plasma irradiation, numerous blisters were observed on the surface of W foils samples and coatings deposited by argon ion sputtering. The surface of W coatings deposited by cathodic arc evaporation was undergone only sputtering process under the same irradiation conditions.Вивчено зміну топографії поверхні масивного вольфраму, отриманого методом порошкового спікання (товщиною 20 мкм), і W-покриттів осадженими вакуумно-дуговим методом та іонним розпиленням під впливом низькоенергетичної водневої (дейтерієвої) і гелієвої плазми при кімнатній температурі. Поверхневі модифікації, індуковані плазмовим опроміненням, вивчалися за допомогою сканувальної електронної мікроскопії. Після опромінення гелієвою і дейтерієвою плазмою на поверхні зразків фольги W і покриттів, нанесених іонним розпиленням, спостерігалися численні блістери. Поверхня W-покриттів, осаджених вакуумно-дуговим способом, піддавалася тільки розпорошенню при тих же умовах опромінення.Изучены изменения топографии поверхности массивного вольфрама, полученного методом порошкового спекания (толщиной 20 мкм), и W-покрытий осажденными вакуумно-дуговым методом и ионным распылением под воздействием низкоэнергетической водородной (дейтериевой) и гелиевой плазмы при комнатной температуре. Поверхностные модификации, индуцированные плазменным облучением, изучались с помощью сканирующей электронной микроскопии. После облучения гелиевой и дейтериевой плазмой на поверхности образцов фольги W и покрытий, нанесенных ионным распылением, наблюдались многочисленные блистеры. Поверхность W-покрытий, осажденных вакуумно-дуговым способом, подвергалась только распылению при тех же условиях облучения