Substrate effects on residual stress of PVD TiN coatings

Sert seramik kaplamaların yük altında davranışlarını etkileyen önemli özelliklerinden biri içerdikleri kalıntı gerilmelerdir. Kalıntı gerilmelerin niteliği ve büyüklüğü kaplamanın taban malzemeye yapışması ve sertliği üzerinde çok etkilidir. Kaplamaların içerdiği kalıntı gerilmeleri ölçmeye yönelik değişik teknikler vardır.Bu teknikler içerisinde en yaygın kullanılanlardan bir tanesi x-ışınları kırınımıdır (XRD). Bu çalışma kapsamında ark-fiziksel buhar biriktirme (ark-FBB) tekniği kullanılarak iki farklı taban malzeme (AISI 304 paslanmaz çelik ve AISI M4 yüksek hız takım çeliği) üzerine kaplanmış olan titanyum nitrür (TiN) kaplamaların kalıntı gerilmeleri klasik kitlesel teknik ve ince film tekniği olmak üzere iki farklı x-ışınları kırınım tekniği  kullanılarak ölçülmüş ve karşılaştırılmıştır.  Anahtar Kelimeler: Kalıntı gerilme ölçümü, XRD, FBB kaplamalar.Residual stress is one of the most important characteristic of hard ceramic coatings that directly affects their behavior under loading. The residual stresses in hard ceramic films consist of thermal stress resulted from cooling after deposition due to differences in the thermal expansion coefficiency of the film and substrate, and growth stress or intrinsic stress generated during deposition. The magnitude of measured residual stress in the film depends on process parameters such as temperature, bias voltage, gas pressure, substrate, deposition time, and film thickness. The magnitude and the type of residual stress govern the adhesion and hardness properties of the coatings. Among several techniques utilized for residual stress measurements, techniques based on XRD are widely used. X-ray diffraction technique is relies on the elastic deformations within a polycrystalline material to measure residual stresses in a material. This study aims to analyze and compare the residual stress on hard ceramic TiN coatings produced by Arc-PVD technique. For this purpose two different XRD stress measurement techniques, namely classical bulk stress measurement, and thin film stress measurement were used. Every coating group were coated by using two different coating ticknesses (approximately 1mm and 3mm), two different  bias voltages (150V and 250V) and  two different substrates (AISI 304 stainless steel and AISI M4 high speed steel).Keywords: Residual stress measurement, XRD, PVD coatings

Effects On Deposition Parameters And Substrate Of Residual Stress In Physical Vapour Deposition Tin, Crn And Zrn Coatings

Tez (Doktora) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2003Thesis (PhD) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2003Bu çalışmanın amacı FBB ince filmlerde proses parametreleri ve taban malzemenin kalıntı gerilme üzerine olan etkilerinin belirlenmesidir. Bu μ, AISI 304 ve AISI M4 taban malzemeler üzerine 6mTorr gaz basıncı altında, 80A katot akımında 150V-250V bias voltajlarında öngörülen 1μm and 3μm’luk kaplama kalınlıklarını elde etmek için faklı birikme süreleri kullanılarak TiN, CrN ve ZrN kaplamalar KA-FBB tekniği ile üretilmiştir. Üretilen kaplamaların kalınlık ve sertlikleri ölçülmüş, üç farklı XRD yöntemi kullanılarak kalıntı gerilmeleri hesaplanmış ve bu parametrelerin birbini ne şekilde etkilediği değerlendirilmiştir. Kaplama içerisinde derinlik arttıkça kalıntı gerilmedeki değişimleri incelemek için X-ışınlarının malzeme içerisine giriş açısı 0,50 den 100 ye kadar adım adım arttırılmış ve kalıntı gerilmelerin derinliğe bağlı değişim diyagramları oluşturularak değerlendirilmiştir.This study aims to investigate the effects of process parameters such as bias voltage, substrate and film thickness on residual stress in PVD thin films. For this purpose, TiN, CrN and ZrN films were deposited by using the cathodic arc PVD coating system. The coatings were made on AISI 304 and AISI M4 steel substrates under 6mTorr gas pressure, 80A cathode current, 150V-250V bias voltages and different deposition times according to the expected coating thickness of 1μm and 3μm. Coating thicknesses and hardnesses were measured and residual stresses were calculated by using three different XRD methods. Then the results were compared and evaluated for investigating the effects of these terms compared to each other. To observe the variation of residual stress with depth in the coatings incidence angle of X-rays was rised from 0,50 to 100 step by step. Then diagrams of residual stress vs. depth were evaluated.DoktoraPh