Structure and Mechanical Properties of TiAlSiY Vacuum-Arc Coatings Deposited in Nitrogen Atmosphere

The effect of a negative bias potential applied to the substrate on elemental composition, structure, and mechanical properties of vacuum-arc TiAlSiY nitride coatings is investigated by different methods. It is ascertained that applying a high (up to –500 V) bias voltage leads to a selective sputtering of target as well as significant microdeformation of the coating, small-sized growth of crystallites, and their preferred orientation along the [110] direction. In this case, the coating deposited has a low hardness H = 6.95 GPa and propensity to intense wear under scratch and tribological tests. Crystallites with stoichiometric composition ~140 nm in size and [111] preferred orientation perpendicular to the surface of growth are formed at the bias potential about –200 V, and superhard (H = 49.5 GPa) and wear-resistant coatings are grown under such conditions. The mechanisms of formation of the structure of multielement coatings are discussed. It is shown that for- mation of an amorphous phase and nanocrystal [110] texture takes place at a high bias potential owing to the process of radiation-stimulated selective spraying of the target. Formation of microstrained crystallites 10 nm in size caused by the weakening of interatomic bonds is observed in the coating under such deposition condi- tions, and it leads to the decrease in coating hardness and fast destruction during tribological testing. Sub- stantial bias voltage dependence of deposited coating properties is established in our investigations

Наноструктурні покриття на основі аморфного вуглецю і наночастинок золота, отримані імпульсним вакуумно-дуговим методом

Імпульсним вакуумно-дуговим методом отримані наноструктурні покриття на основі алмазоподібного вуглецю та вуглецю, легованого золотом, товщиною 100-300 нм на підкладках з кремнію. Досліджено структуру методом просвічуючої електронної мікроскопії високої роздільної здатності, елементний склад методом рентгенівського мікроаналізу, визначено твердість, адгезійні та трибологічні характеристики, величину внутрішніх напружень, а також електропровідність і оптичні характеристики. Встановлено, що наночастинки золота у вуглецевій матриці мають кристалічну структуру і розмір близько 5 нм. При змінюванні вмісту золота від 1 до 25 % трибологічні властивості погіршуються, а питомий опір зменшується з 920 до 0.06 мОм×м. Запропонована методика легування вуглецевого алмазоподібного покриття золотом дозволяє в широких межах змінювати питомий опір і коефіцієнт пропускання при збереженні високої зносостійкості і низького коефіцієнту тертя.Nanostructured coatings based on diamond-like carbon and gold-doped carbon with a thickness of 100- 300 nm were obtained by a pulsed vacuum-arc method on silicon substrates. The structure of the coatings was studied by high-resolution transmission electron microscopy, the elemental composition was studied by X-ray microanalysis. In addition, hardness, adhesive and tribological characteristics, the magnitude of internal stresses, as well as electrical conductivity and optical characteristics were also investigated. It was found that gold nanoparticles in the carbon matrix have a crystal structure and their size is about 5 nm. A change in the gold content from 1 to 25 % leads to a deterioration in the tribological properties of the coating, while the resistivity decreases from 920 to 0.06 mΩ∙m. The technique proposed in this study for the doping of a diamond-like carbon coating with gold allows varying the resistivity and transmittance over a wide range while maintaining high wear resistance and low friction coefficient

Закономірності формування нітридних покриттів на основі багатокомпонентних сплавів

The physical factors, which influence on structural state and phase composition of nitride coatings based on multicomponent alloys obtained by means of vacuum-arc deposition method have been determined. It was shown that the increase in partial pressure of nitrogen ensures the formation of a single phase solid solution with fcc crystal lattice. Under the pressure of nitrogen atmosphere below 10 – 3 Pa, a single phase solid solution with a bcclattice is formed; and within the pressure of nitrogen PN = 10– 3 - 8 × 10– 22 Pa, a two-phase system of solid solutions with bcc and fcc lattices is observed. With an offset potential of – 70 V, a texture [100] is observed; and within the alteration of bias potential of (– 70 V - – 90 V) texture [100] + [111] appears. In the range of Ub from – 120 V to – 150 V, a texture [111] is observed, and, with an increase of bias potential, a texture [111] + [110] is observed.Визначено фізичні фактори, що впливають на структурний стан і фазовий склад нітридних покриттів на основі багатокомпонентних сплавів, отриманих методом вакуумно-дугового осадження. Показано, що підвищення парціального тиску азоту забезпечує формування однофазного твердого розчину з ГЦК кристалічною граткою. За умов тиску азотного середовища нижче 10 – 3 Па формується однофазний твердий розчин з ОЦК граткою, а в межах тиску азоту PN = 10 – 3-8 × 10 – 2 Па спостерігається двофазна система твердих розчинів з ОЦК і ГЦК гратами. При потенціалі зміщення – 70 В спостерігається текстура [100]; в межах змінювання потенціалу зміщення (– 70 В- – 90 В), з'являється текстура [100] + [111]. В діапазоні Ub від – 120 В до – 150 В – спостерігається текстура [111] і, з підвищенням потенціалу зміщення, спостерігається текстура [111] + [110].Определены физические факторы, влияющие на структурное состояние и фазовый состав нитридных покрытий на основе многокомпонентных сплавов, полученных методом вакуумно-дугового осаждения. Показано, что повышение парциального давления азота обеспечивает формирование однофазного твердого раствора с ГЦК кристаллической решеткой. При давлении азотной среды ниже 10– 3 Па формируется однофазный твердый раствор с ОЦК решеткой, а в пределах давления азота PN = 10– 3 - 8 × 10– 2 Па наблюдается двухфазная система твердых растворов с ОЦК и ГЦК решеткой. При потенциале смещения – 70 В наблюдается текстура [100]; в пределах изменения потенциала смещения (– 70 В - – 90 В), появляется текстура [100]+[111]. В диапазоне Ub от – 120 В до – 150 В – наблюдаетсятекстура [111] и, с повышением потенциала смещения, наблюдается текстура [111] + [110]