Microstructure and tribomechanical properties of multilayer TiZrN/TiSiN composite coatings with nanoscale architecture by cathodic-arc evaporation

Multilayer TiZrN/TiSiN coatings were deposited on steel substrate by the cathodicarc evaporation technique. The TiZr (75:25 at. %) and TiSi (95:5 at. %) alloy cathodes served as evaporation sources. Scanning electron microscopy with energy-dispersive spectroscopy, secondary ion mass-spectrometry, X-ray diffraction and X-ray photoelectron spectroscopy were employed to investigate the microstructure, elemental composition, phase state and bonding structure of the deposited coatings. Nanoindentation and ball-on-disk tribology tests were used tomeasure themechanical and tribological features of the coatings, such as hardness, elastic modulus, toughness, friction coefficient and wear rate. The results show that all multilayers were fcc structureswith a strong preferred orientation along (111) plane. The coherent growth of the multilayers contributed to the formation of the fine-grained structure with crystallites of 9.2–11.6 nm size and a lowlevel of residual stresses of- (3.5–5.3) GPa. All multilayer coatings exhibited high hardness up to 38.2 ± 1.15 GPa and elastic modulus up to 430 ± 12.9 GPa, indicating higher resistance against plastic deformation compared to TiZrN and TiSiN films. The result of ball-on-disk wear tests showed that the multilayer sample with the best structural features (modulation period of 20.4 nm, 0.86 at. % of Si, the crystallite size of 9.2 nm and residual stress of- 3.5 GPa)demonstrated the lowest friction coefficient of 0.844 andbetterwear rate of 3.32 10–5 mm3/N m.This project was financially supported by the state budget programs of Ukraine, Grants No. 0118U003579 and No. 0119U100787. Furthermore, the project was financed in the framework of the project Lublin University of Technology regional Excellence imitative funded by Polish Ministry of Science and High Education (contract /030/RD/2018,2019)

Features of Investigations of Multilayer Nitride Coatings Based on Cr and Zr

У короткому огляді літературних даних узагальнено результати дослі- джень структури та властивостей наномасштабних багатошарових пок- риттів тугоплавких металів на основі Zr та Cr одержаних методами ва- куумно-дугового осадження катоду. Проведено порівняльну аналізу мі- кроструктури та властивостей композиційних покриттів ZrN/CrN в за- лежності від умов осадження (постійного неґативного потенціялу під- ложжя, імпульсного високовольтного потенціялу зміщення, парціяль- ного тиску і швидкости потоку робочого газу) та періоду модуляції ба- гатошарової структури. Виявлено загальні закономірності, що поляга- ють у наявності стовпчастої структури та текстури росту. Показано, що для досліджуваних покриттів має місце переважна орієнтація (111). Визначено умови одержання покращених фізико-механічних та трибо- логічних властивостей покриттів.В кратком обзоре литературных данных обобщены результаты исследований структуры и свойств наномасштабных многослойных покрытий нитридов тугоплавких металлов на основе Zr и Cr, полученных мето- дами вакуумно-дугового осаждения катода. Проведён сравнительный анализ микроструктуры и свойств композиционных покрытий ZrN/CrN в зависимости от условий осаждения (постоянного или импульсного отрицательного потенциала подложки, импульсного высоковольтного потенциала смещения, парциального давления и скорости потока рабо- чего газа) и периода модуляции многослойной структуры. Выявлены общие закономерности, состоящие в наличии столбчатой структуры и текстуры роста. Показано, что для исследуемых покрытий имеет место преимущественная ориентация (111). Установлены условия получения улучшенных физико-механических и трибологических характеристик покрытий.The studies of the structure and properties of nanoscale multilayer coat- ings of Zr- and Cr-based refractory metals obtained by the vacuum arc cathode deposition are summarized in a brief review of the literature data. A comparative analysis of the microstructure and properties of ZrN/CrN composite coatings depending on the deposition conditions (con- stant negative potential of the substrate, pulsed high-voltage bias poten- tial, partial pressure, and reaction gas velocity) and modulation period for multilayered structure is carried out. General regularities consisting in the presence of the columnar structure and the growth texture are re- vealed. They show that there is a prevailing (111) orientation for investi- gated coatings. Conditions for obtaining improved physical, mechanical, and tribological properties of the coatings are determined

Фізичні властивості двовимірних наноматеріалів та металевих наночастинок

Монографія містить результати досліджень фізичних властивостей двовимірних наноматеріалів і металевих наночастинок методами класичної молекулярної динамі-ки та комп’ютерного моделювання. Розглянуто зразки двовимірних карбідів титану Tin + 1Cn з n = 1, 2, 3, а також металеві, біметалеві наночастинки зі структурою «ядро –оболонка». Подано результати моделювання процесів деформації та зазначених зразків, і розраховано значення механічних параметрів, такі як модулі пружності та жорсткість за умови згину. Також викладено результати моделювання процесів плавлення двовимірних карбідів титану та металевих наночастинок зі структурою «ядро – оболонка», розра-ховано структурні параметри, а також значення температур, за яких відбувається руйнування зразків

Імплантація іонів низьких та високих енергій у багатокомпонентні та багатошарові покриття: мікроструктура та властивості

Мета дослідження: встановлення закономірностей впливу умов осадження та дози і енергії імплантованих іонів на структурно-фазовий стан та фізикомеханічні властивості багатошарових та багатоелементних наноструктурних покриттів на основі нітридів або карбонітридів тугоплавких та перехідних металів. Предмет дослідження: структура та комплекс фізико-механічних властивостей багатокомпонентних та багатошарових наноструктурних покриттів на основі нітридів або карбонітридів перехідних та тугоплавких металів при імплантації іонами Au- різних доз та енергій

Імплантація іонів низьких та високих енергій у багатокомпонентні та багатошарові покриття: мікроструктура та властивості

Об’єкт дослідження – фізико-хімічні процеси утворення радіаційних дефектів у покриттях, процеси радіаційно-пришвидшеної дифузії, процеси фазоутворення, формування внутрішніх напружень та фізико-механічних властивостей у наноструктурних багатошарових покриттях на основі нітридів перехідних металів. Мета роботи – встановлення закономірностей впливу умов осадження та дози і енергії імплантованих іонів на структурно-фазовий стан та фізико-механічні властивості багатошарових наноструктурних покриттів на основі нітридів перехідних металів

Фізичні властивості двовимірних наноматеріалів та металевих наночастинок

Мета роботи – розробка теоретичних та чисельних моделей для опису поведінки двовимірних матеріалів під дією зовнішнього згинаючого навантаження

Моделювання адсорбції металевих наночастинок на поверхні двовимірних наноматеріалів

Мета роботи – розробка теоретичних та чисельних алгоритмів для моделювання процесу росту срібних наночастинок на поверхні двовимірного карбіду титану Ti2C. Метод дослідження – методи класичної молекулярної динаміки з використанням моделі зануреного атома, парного та трьох- частинних потенціалів, методи статистичної фізики та обчислювальної математики, тощо

Фізичні властивості двовимірних наноматеріалів та металевих наночастинок

Мета роботи – розробка теоретичних та чисельних моделей для опису поведінки двовимірних матеріалів під дією зовнішнього згинаючого навантаження

Багатошарові і багатокомпонентні покриття з адаптивною поведінкою в умовах зносу та тертя

Предмет дослідження – структурні та фізико-механічні властивості, елементний і фазовий склад, механізми формування осаджених багатошарових покриттів на основі нітридів Ta, Ti, Zr, Hf, Nb, Mo, W, Si, Al. Мета роботи – встановлення взаємозв’язку між елементним і фазовим станами та термічною стабільністю, механічними і трибологічними властивостями наноструктурних захисних мультишарових покриттів, та впливу на них технологічних параметрів осадження, а саме тиску робочого газу та потенціалу зсуву підкладки

Імплантація іонів низьких та високих енергій у багатокомпонентні та багатошарові покриття: мікроструктура та властивості

Мета роботи – встановлення закономірностей впливу виду іонів, їх дози і енергії на елементний склад, структурно-фазовий та напружено- деформований стан, а також механічні і трибологічні властивості багатошарових наноструктурних покриттів на основі нітридів перехідних та тугоплавких металів з теоретичної та експериментальної точки зору. Об’єкт дослідження – фізичні та хімічні процеси утворення радіаційних дефектів у багатошарових та багатоелементних нітридних покриттях на основі перехідних та тугоплавких металів, процеси фазоутворення та дифузії, та механічні та трибологічні властивості покриттів до та після іонної імплантації. Предмет дослідження – фізичні, хімічні, механічні та трибологічні властивості багатошарових та багатоелементних наноструктурних нітридних покриттів на основі перехідних та тугоплавких металів викликані в результаті імплантації іонів Au- , Si+ , Xe+ різних доз та енергій у їх поверхню