Properties of superhard nanostructured coatings Ti-Hf-Si-N

New superhard coatings based on Ti-Hf-Si-N featuring high physical and mechanical properties were fabricated. We employed a vacuum-arc source with HF stimulation and a cathode sintered from Ti-Hf-Si. Nitrides were fabricated using atomic nitrogen (N) or a mixture of Ar/N, which were leaked-in a chamber at various pressures and applied to a substrate potentials. RBS, SIMS, GT-MS, SEM with EDXS, XRD, and nanoindentation were employed as analyzing methods of chemical and phase composition of thin films. We also tested tribological and corrosion properties. The resulting coating was a two-phase, nanostructured nc-(Ti, Hf)N and α-Si3N4. Sizes of substitution solid solution nanograins changed from 3.8 to 6.5 nm, and an interface thickness surrounding α-Si3N4 varied from 1.2 to 1.8 nm. Coatings hardness, which was measured by nanoindentation was from 42.7 GPa to 48.6 GPa, and an elastic modulus was E = (450 to 515) GPa. The films stoichiometry was defined for various deposition conditions. It was found that in samples with superhard coatings of 42.7 to 48.6GPa hardness and lower roughness in comparison with other series of samples, friction coefficient was equal to 0.2, and its value did not change over all depth (thickness) of coatings. A film adhesion to a substrate was essentially high and reached 25MPa. В работе получены новые сверхтвердые покрытия на основе Ti-Hf-Si-N с высокими физико-механическими свойствами. В процессе синтеза методом вакуумно-дугового осаждения с применением ВЧ напряжения распылялся цельнолитой катод Ti-Hf-Si. Нитриды формировались в среде атомарного азота (N) или в смеси Ar/N, которые напускались в камеру при различных давлениях. Химический и фазовый составы тонких пленок анализировался методами RBS, SIMS, GT-MS, SEM с EDXS, РСА, а твердость определялась наноиндентированием. Исследовались трибологические и коррозионные свойства покрытий. Полученные покрытия являются двухфазными наноструктурированными nс-(Ti, Hf)N и α-Si3N4. Размеры нанозерен твердого раствора варьировались от 3,8 до 6,5 нм, а толщина окружающей оболочки α-Si3N4 менялась от 1,2 до 1,8 нм. Твердость покрытий H составляла 42,7 48,6 ГПа, а модуль упругости Е принимал значения от 450 ГПа до 515 ГПа. Определена стехиометрия пленок при различных условиях осаждения. Установлено, что в образцах сверхтвердых покрытий с твердостью 42,7 48.6 ГПа наблюдалась более низкая шероховатость по сравнению с другими образцами, коэффициент трения составлял 0,2, и его значение не изменялось по всей глубине (толщине) покрытия. Адгезия пленки к подложке достигла 25 МПа. У роботі отримані нові надтверді покриття на основі Ti-Hf-Sі-N з високими фізико-механічними властивостями. У процесі синтезу методом вакуумно-дугового осадження із застосуванням ВЧ напруги розпорошувався суцільнолитий катод Tі-Hf-Sі. Нітриди формувалися у середовищі атомарного азоту (N) або у суміші Ar/N, які напускалися у камеру при різних тисках. Хімічний і фазовий склади тонких плівок аналізувалися методами RBS, SІMS, GT-MS, SEM з EDXS, РСА, а твердість визначалася наноіндентуванням. Досліджувалися трибологічні та корозійні властивості покриттів. Отримані покриття є двофазними наноструктурованими nс-(Tі, Hf)N і -Sі3N4. Розміри нанозерен твердого розчину варіювалися від 3,8 до 6,5 нм, а товщина навколишньої оболонки -Sі3N4 змінювалася від 1,2 до 1,8 нм. Твердість покриттів H становила 42,7 48,6 ГПа, а модуль пружності Е приймав значення від 450 ГПа до 515 ГПа. Визначено стехіометрію плівок при різних умовах осадження. Встановлено, що у зразках надтвердих покриттів із твердістю 42,7 48.6 ГПа спостерігалася нижча шорсткість у порівнянні з іншими зразками, коефіцієнт тертя становив 0,2, і його значення не змінювалося за глибиною (товщиною) покриття. Адгезія плівки до підкладки досягла 25 МПа

Properties of superhard nanostructured coatings Ti-Hf-Si-N

New superhard coatings based on Ti-Hf-Si-N featuring high physical and mechanical properties were fabricated. We employed a vacuum-arc source with HF stimulation and a cathode sintered from Ti-Hf-Si. Nitrides were fabricated using atomic nitrogen (N) or a mixture of Ar/N, which were leaked-in a chamber at various pressures and applied to a substrate potentials. RBS, SIMS, GT-MS, SEM with EDXS, XRD, and nanoindentation were employed as analyzing methods of chemical and phase composition of thin films. We also tested tribological and corrosion properties. The resulting coating was a two-phase, nanostructured nc-(Ti, Hf)N and α-Si3N4. Sizes of substitution solid solution nanograins changed from 3.8 to 6.5 nm, and an interface thickness surrounding α-Si3N4 varied from 1.2 to 1.8 nm. Coatings hardness, which was measured by nanoindentation was from 42.7 GPa to 48.6 GPa, and an elastic modulus was E = (450 to 515) GPa. The films stoichiometry was defined for various deposition conditions. It was found that in samples with superhard coatings of 42.7 to 48.6GPa hardness and lower roughness in comparison with other series of samples, friction coefficient was equal to 0.2, and its value did not change over all depth (thickness) of coatings. A film adhesion to a substrate was essentially high and reached 25MPa. В работе получены новые сверхтвердые покрытия на основе Ti-Hf-Si-N с высокими физико-механическими свойствами. В процессе синтеза методом вакуумно-дугового осаждения с применением ВЧ напряжения распылялся цельнолитой катод Ti-Hf-Si. Нитриды формировались в среде атомарного азота (N) или в смеси Ar/N, которые напускались в камеру при различных давлениях. Химический и фазовый составы тонких пленок анализировался методами RBS, SIMS, GT-MS, SEM с EDXS, РСА, а твердость определялась наноиндентированием. Исследовались трибологические и коррозионные свойства покрытий. Полученные покрытия являются двухфазными наноструктурированными nс-(Ti, Hf)N и α-Si3N4. Размеры нанозерен твердого раствора варьировались от 3,8 до 6,5 нм, а толщина окружающей оболочки α-Si3N4 менялась от 1,2 до 1,8 нм. Твердость покрытий H составляла 42,7 48,6 ГПа, а модуль упругости Е принимал значения от 450 ГПа до 515 ГПа. Определена стехиометрия пленок при различных условиях осаждения. Установлено, что в образцах сверхтвердых покрытий с твердостью 42,7 48.6 ГПа наблюдалась более низкая шероховатость по сравнению с другими образцами, коэффициент трения составлял 0,2, и его значение не изменялось по всей глубине (толщине) покрытия. Адгезия пленки к подложке достигла 25 МПа. У роботі отримані нові надтверді покриття на основі Ti-Hf-Sі-N з високими фізико-механічними властивостями. У процесі синтезу методом вакуумно-дугового осадження із застосуванням ВЧ напруги розпорошувався суцільнолитий катод Tі-Hf-Sі. Нітриди формувалися у середовищі атомарного азоту (N) або у суміші Ar/N, які напускалися у камеру при різних тисках. Хімічний і фазовий склади тонких плівок аналізувалися методами RBS, SІMS, GT-MS, SEM з EDXS, РСА, а твердість визначалася наноіндентуванням. Досліджувалися трибологічні та корозійні властивості покриттів. Отримані покриття є двофазними наноструктурованими nс-(Tі, Hf)N і -Sі3N4. Розміри нанозерен твердого розчину варіювалися від 3,8 до 6,5 нм, а товщина навколишньої оболонки -Sі3N4 змінювалася від 1,2 до 1,8 нм. Твердість покриттів H становила 42,7 48,6 ГПа, а модуль пружності Е приймав значення від 450 ГПа до 515 ГПа. Визначено стехіометрію плівок при різних умовах осадження. Встановлено, що у зразках надтвердих покриттів із твердістю 42,7 48.6 ГПа спостерігалася нижча шорсткість у порівнянні з іншими зразками, коефіцієнт тертя становив 0,2, і його значення не змінювалося за глибиною (товщиною) покриття. Адгезія плівки до підкладки досягла 25 МПа