Отправить статью по E-mail Влияние технологических параметров процесса импульсного магнетронного распыления на структуру и фазовый состав покрытий на основе TiN
- Авторы: Сошина Т.О.1, Мезенцева Д.С.1
-
Учреждения:
- Лысьвенский филиал ФГАОУ «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
- Выпуск: Том 19, № 1 (2023)
- Страницы: 111-119
- Раздел: НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ
- URL: https://journal-vniispk.ru/1816-9228/article/view/253708
- DOI: https://doi.org/10.18822/byusu202301111-119
- ID: 253708
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Предмет исследования: покрытия на основе TiN, осажденные методом импульсного магнетронного распыления.
Цель исследования: установление влияния технологических параметров процесса импульсного магнетронного распыления: величины разрядного тока и содержания N2 в вакуумной камере на структуру и фазовый состав покрытий на основе TiN.
Методы и объекты исследования: фазовый состав и структурные характеристики покрытия на основе TiN изучены в процессе рентгеноструктурного и рентгенофазового анализа покрытий. Микроструктура сформированных покрытий на основе TiN изучена с использованием растровой электронной микроскопии. Объектом исследования являлись образцы из твердого сплава ВК6 с покрытиями TiN.
Основные результаты исследования: установлено, что наибольшее влияние на формируемую структуру покрытия TiN оказывает величина разрядного тока. Увеличение содержание N2 и разрядного тока приводит к изменению фазового состава и формированию однофазного покрытия на основе кубической фазы (111) с-TiN с увеличением степени текстурированности покрытия. Определены оптимальные величины технологических параметров, при которых формируется покрытие на основе фазы с-TiN, с минимальным уровнем внутренних напряжений, наименьшим размером зерна, плотной, столбчатой структурой.
Полный текст
Введение
Динамика развития обрабатывающей промышленности в России в последние годы определяет увеличивающие требования, предъявляемые к современному режущему инструменту, такие как высокая стойкость и надежность [1, 2]. Общемировые тенденции по увеличению срока службы режущего инструмента связывают с многофункциональными многослойными покрытиями на основе соединений TiN, ZrN, CrN, TiAlN, TiZrN и др. [2–4]. Промышленное применение с области упрочнения режущего инструмента получили магнетронные распылительные системы (МРС), реализующие технологию осаждения покрытий в вакууме (PVD метод) [5–7]. Имеющиеся у классических МРС технологические ограничения привели к созданию МРС, работающих в импульсном режиме – импульсные магнетронные распылительные системы (ИМРС). ИМРС позволяют решить ряд технологических проблем: понизить температурную нагрузку на режущий инструмент в процессе его упрочнения до 180 °С благодаря скважности импульсов, увеличить плотность и текстурированность осаждаемого покрытия за счет увеличения степени ионизации осаждаемого металлического субстрата до 90 % [8–10]. Осажденные в условия импульсного магнетронного распыления (ИМР) покрытия обладают высокой твердостью, хорошей стойкостью к воздействию агрессивных сред и низким коэффициентом трения [10–12]. Известно, что степень ионизации паров металла определяется максимальной величиной плотности тока и мощности импульсного разряда и, как следствие, требуемые эксплуатационные параметры у покрытия могут быть достигнуты в строго определенном диапазоне работы ИМРС при комплексе технологических параметров [11, 13].
Среди технологических параметров ИМР, оказывающих существенное воздействие на формируемое покрытие наряду с давлением газа в вакуумной камере, напряжением, подаваемым на материал основы, величине и скважности импульса [7, 13–15], важное значение имеют величина разрядного тока, подающегося на мишень магнетрона и содержание реакционного газа (N2) в вакуумной камере [16]. Металлический субстрат (Ti), содержание которого определяется величиной разрядного тока на мишени магнетрона, поступает в зону реакции в атомарном и ионизованном состоянии. Содержание реактивного газа в вакуумной камере ИМРС влияет на энергию падающих ионов металлического субстрата, которая определяет скорость роста покрытия, достижение стехиометрического состава, плотность, структуру и свойства [8].
Получение покрытия, обладающего комплексом требуемых свойств возможно только при детальном понимании зависимостей структуры и фазового состава покрытия от технологических параметров его осаждения [7, 17–20]. Целью данного исследования являлось изучение влияния величины разрядного тока на Ti мишени и содержания азота в вакуумной камере на структуру и фазовый состав покрытий на основе TiN (далее – покрытий TiN).
Результаты и обсуждение
Покрытия TiN осаждены методом ИМР на установке Unicoat-600 (производство НПФ «Элан-Практик») на тестовые образцы из твердого сплава ВК6. Технологический процесс осаждения покрытий TiN состоял из операций: ионная очистка поверхности образца с подачей на него высокого импульсного напряжения → осаждение адгезионного подслоя Ti → осаждение рабочих слоев TiN. Постоянными оставались параметры технологического процесса: давление газа в вакуумной камере – 0,28 Па; напряжение смещения – 65В; скорость вращения образцов в вакуумной камере 25 об/мин. Эксперимент с изменением содержания N2 проходил при постоянном значении разрядного тока ITi, а эксперимент с изменением величины разрядного тока ITi – при постоянной концентрации N2 в камере. Температура нагрева образцов в процессе осаждения покрытия TiN составила 230…250 °С. Рентгеноструктурный и рентгенофазовый анализ покрытий TiN проведен на дифрактометре ДРОН-4. Режимы съемки: излучение – Cu Кa, напряжение и ток на рентгеновской трубке – 30 кВ и 20 мА соответственно. Микроструктурный анализ изломов покрытий TiN изучены с использованием сканирующего электронного микроскопа Ultra 55.
Изменение содержания N2 в вакуумной камере приводит к изменению фазового состава покрытия TiN и его структурных характеристик (рис. 1, табл. 1). При минимальном содержания N2 формируется двухфазное покрытие с преобладанием объемной доли кубической фазы с-TiN, дополнительной фазой является гексагональная фаза h-TiN0,3. Увеличение содержания N2 до 30 % приводит к исчезновению гексагональной фазы h-TiN0,3 и формированию однофазного покрытия на основе фазы с-TiN.
Рисунок 1 – Дифрактограммы покрытий TiN,сформированных ИМР при различном содержании N2
Таблица 1
Фазовый состав и параметры структуры покрытий TiNв зависимости от содержания N2
N2, % | Объемная доля фаз | Т(111)TiN | D2q, % | Dа, % | β0(111) TiN | |
с-TiN | h-TiN0,3 | |||||
8 | 92 | 8 | 0,76 | -1,1 | 0,6 | 0,6 |
20 | 100 | - | 0,88 | -0,8 | 0,3 | 0,5 |
30 | 100 | - | 0,91 | -0,3 | 0,04 | 0,5 |
Анализ структурных характеристик покрытия показал снижение степени деформации кристаллической решетки (КР) основной фазы с-TiN с увеличением содержания N2 до 30 % (табл. 1). Максимальные отклонения параметра КР Dа от стехиометрических значений наблюдаются у покрытия, сформированного при минимальном содержании N2 = 8 %, что объясняется невысокой степенью ионизации потока металлической плазмы в условиях дефицита реакционного газа. Снижение уровня внутренних напряжений в покрытии при увеличении содержания N2 подтверждается уменьшением полуширины пиков фаз β0 и отклонений положения дифракционных пиков D2q.
Величина разрядного тока, подаваемого на титановую мишень магнетрона в диапазоне ITi = 9…13 А оказывает влияние на соотношение входящих основных фаз покрытия: с-TiN и h-TiN0,3 (рис. 2). Двухфазное покрытие на основе фазы (111) с-TiN формируется при значении разрядного тока 9…11 А (табл. 2). Увеличение разрядного тока до 13 А приводит к исчезновению дополнительной фазы h-TiN0,3. Формируется однофазное покрытие на основе фазы (111) с-TiN с максимальной степенью текстурированности зерен. По уменьшению отклонения параметра КР Dа основной фазы с-TiN, уменьшению уширения пиков основных фаз β0 и отклонению положений дифракционных пиков D2q можно судить о снижении степени деформации КР и уменьшению уровня внутренних напряжений в покрытии, формируемом при увеличении величины разрядного тока до 13А.
Рисунок 2 – Дифрактограммы покрытий TiN, сформированных ИМР при различном значении разрядного тока
Таблица 2
Фазовый состав и структурные характеристики покрытий TiNв зависимости от величины разрядного тока
ITi, А | Объемная доля фаз | Т(111)TiN | D2q, % | Dа, % | β0(111) TiN | |
с-TiN | h-TiN0,3 | |||||
9 | 0,83 | 0,17 | 0,76 | -1,8 | 0,6 | 0,4 |
11 | 0,91 | 0,09 | 0,70 | -0,6 | 0,5 | 0,4 |
13 | 100 | - | 0,80 | -0,4 | 0,2 | 0,5 |
Изменение величины разрядного тока на Ti мишени и содержания N2 в вакуумной камере не оказывает влияние на преимущественную ориентацию зерен в покрытиях TiN. Сохраняется преимущественная ориентация зерен в направлении (111) для всего диапазона исследуемых технологических параметров. Однако отмечено влияние содержания N2 и величины разрядного тока на степень текстурированности, которая повышается при увеличении значений технологических параметров ИМС (табл. 2).
Микроструктура покрытий TiN, полученных в исследуемом интервале содержания N2, существенно не изменяется, формируемая структура описывается как столбчатая, зернистая разной степени плотности. При увеличении содержания N2 до 30 % увеличивается плотность структуры и когезионная прочность. Так, при максимальном содержании N2 формируемые покрытия имеют столбчатое нанокристаллическое строение с размером зерна 50…100 нм.
Рисунок 3 – Микроструктура покрытий TiN, сформированных при содержании N2: а) 8 % б) 20 % в) 30 %
Величина разрядного тока оказывает существенное влияние на микроструктуру покрытий TiN. При минимальном значении разрядного тока 9 А формируется тонкое покрытие с низкой плотностью зерен, ориентированных под углом к подложке и значительным количеством дефектов и неравномерности строения, что может быть обусловлено анизотропией скоростей формирования покрытия при недостаточности атомов Ti в ионизированной металлической плазме. Покрытию TiN, полученному при минимальной величине разрядного тока, соответствует наибольший размер зерна 70…150 нм. Увеличение разрядного тока на Ti мишени приводит к упорядочению структуры с повышением ее плотности и снижением количества видимых дефектов. В условиях максимальной величины разрядного тока 13 А формируется плотная нанокристаллическая структура покрытия, зерна которой имеют размер 50…70 нм и ориентированы перпендикулярно к поверхности подложки.
Рисунок 4 – Микроструктура покрытий TiN, сформированных при величине разрядного тока: а) 9 А; б) 11 А; в) 13 А
Заключение и выводы
Микроструктурные исследования полученных покрытий TiN позволили установить, что наибольшее влияние на формируемую структуру оказывает величина разрядного тока на Ti мишени. Изменение содержания N2 в вакуумной камере не изменяет тип структуры, но изменяет ее отдельные характеристики. Увеличение содержания N2 и величины разрядного тока приводит к формированию менее напряженного покрытия с малым размером зерна до 70 нм, способствует стабилизации структуры и благоприятно сказывается на когезионной прочности покрытия.
Фазовый состав покрытий TiN изменяется в зависимости от содержания N2 и величины разрядного тока. Увеличение содержания N2 и разрядного тока приводит к изменению фазового состава покрытий TiN, заключающегося в снижении объемной доли гексагональной фазы h-TiN0,3 и формированию однофазного покрытия на основе кубической фазы (111) с-TiN с максимальной степени тестурированности покрытия.
Покрытие TiN на основе фазы с-TiN, плотной столбчатой структурой, минимальным уровнем внутренних напряжений, максимальной степенью текстурированности, наименьшим размером зерна и дефектов покрытия формируется при оптимальном содержании N2 30 % и величине разрядного тока 13 А.
Об авторах
Татьяна Олеговна Сошина
Лысьвенский филиал ФГАОУ «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
Автор, ответственный за переписку.
Email: soshtanya@rambler.ru
кандидат технических наук, доцент с обязанностями заведующего кафедрой Технические дисциплины
Россия, ЛысьваДарья Сергеевна Мезенцева
Лысьвенский филиал ФГАОУ «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
Email: daramezenceva40@gmail.com
кандидат технических наук, доцент с обязанностями заведующего кафедрой Технические дисциплины
Россия, ЛысьваСписок литературы
- Маркова, Е. А. Износостойкие покрытия для режущих инструментов: пособие для студентов специальности «Технологическое оборудование машиностроительного производства» / Е. А. Маркова, О. К. Яцкевич. – Минск : БНТУ, 2021. – 50 с. – ISBN 978-985-583-649-1. – Текст: непосредственный.
- Афанасьева, Ю. Д. Технология нанесения покрытий Ti-TiN на режущий инструмент / Ю. Д. Афанасьева, С. Р. Шехтман. – Текст: непосредственный // Вестник УГАТУ. – 2018. – Т. 22., № 4(81). – С. 3–9.
- Badaluddin, N. A. Coatings of cutting tools and their contribution to improve mechanical properties: a brief reviw / N. A. Badaluddin, W. F. Hakim W Zamri, M. F. Din. – Text : immediate // Journal of Applied Engineering Research. – 2018. – V. 13, № 14. – Рp. 11653–11664.
- Hörling, A. Mechanical properties and machining performance of Ti1-xAlxN-coated cutting tools / A. Hörling, L. Hultman, M. Oden, J. Sjölen, L. Karlsson. – Text : immediate // Surface and Coatings Technology. – 2005. – Vol. 191. – P. 384–392.
- Берлин, Е. Б. Получение тонких пленок реактивным магнетронным распылением / Е. Б. Берлин, Л. А. Сейдман. – М. : Техносфера, 2014. – 256 с. – ISBN 978-5-9710-9680-1. – Текст : непосредственный.
- Удовиченко, С. Ю. Пучково-плазменные технологии для создания материалов и устройств микро- и наноэлектроники. Часть 1-я: методическое пособие по организации самостоятельной работы студентов направления 011200.68 – Физика, магистерская про-грамма «Физика наноструктур и наносистем» / С. Ю. Удовиченко. – Тюмень : Изд-во Тюменского государственного университета, 2014. – 85 с. – Текст: непосредственный.
- Вольпян, О. Д. Магнетронное нанесение оптических покрытий при питании магнетронов переменным напряжением средней частоты / О. Д. Вольпян, А. И. Кузьмичев. – Текст : непосредственный // Прикладная физика. – 2008. – № 3. – C. 34–52.
- Федотов, А. В. Многофункциональные нанокомпозитные покрытия / А. В. Федотов, Ю. А. Агабеков, В. П. Мачикин. – Текст : непосредственный // Наноиндустрия. – 2008. – № 1. – С. 24–26.
- El–Awadi, G. A. Structure and Properties of thin Hard Coating Tialn layers Deposited by pvd on Heated Substrate wc/co / G. A. El–Awadi, S. Abdel-Samad, A. F. Waheed. – Text : immediate // Arab Journal of Nuclear Science and Applications. – 2014. – Vol. 47, iss. 1. – P. 138–144.
- Tański, T. TEM microstructure investigations of aluminium alloys used as coating substrate / T. Tański, K. Labisz, L.A. Dobrzański, M. Wiśniowski, W. Matysiak. – Text: immediate // Materials Science and Engineering. – 2013. – Vol. 59, № 2. – P. 82–92.
- Каменева, А. Л. Физико-механические свойства пленок на основе Ti-Al-N, формируемых импульсным магнетронным распылении при переменном давлении газовой смеси / А. Л Каменева, Т. О. Сошина. – Текст : непосредственный // Вестник Магнитогорского технического университета им. Г. И. Носова». – 2013. – № 4. – С. 60–64.
- Wu, Wan-Yu. Bioapplication of TiN thin films deposited using high power impulse magnetron sputtering / Wan-YuWu, Man-Yee Chan, Yu-Hsuan Hsu, Guan-Zhen Chen, Shu-Chuan Liao, Cheng-Hung Lee, Ping-Wing Lui. – Text: immediate // Surface and Coatings Technology. – 2019. – Vol. 362. – P. 167–175.
- Каменева, А. Л. Коррозионная стойкость покрытий на основе Ti1-xAlxN в растворе хлорида натрия / А. Л. Каменева, В. И. Кичигин, Т. О. Сошина. – Текст : непосредственный // Коррозия: материалы, защита. – 2014. – № 10. – С. 34–41.
- Сошина, Т. О. Проектирование многослойных пленок на основе слоев Ti1-хAхN с высокими функциональными свойствами / Т. О. Сошина. – Текст : электронный // Науковедение. – 2015. – Т.7, № 2. – URL : http://naukovedenie.ru/index.php?p=vol7-2-technics (дата обращения 18.01.2023).
- Работкин, С. В. Нанесение прозрачных проводящих покрытий на основе оксида цинка методом магнетронного распыления : дис…канд.техн.наук / С. В. Работкин. – Текст : непосредственный. – Томск, 2009. – 146 с.
- Жуков, В. В. Распыление мишени магнетронного диода в присутствии внешнего ионного пучка / В.В.Жуков, В.П. Кривобоков, С.Н. Янин. – Текст : электронный // Журнал технической физики. – 2006. – Т. 76, № 4. – C. 1–6. – URL : https://studylib.ru/doc/2022570/raspylenie-misheni-magnetronnogo-dioda-v-prisutstvii (дата обращения 20.01.2023).
- Chang, Chi-Lung. The Effect of Match between High Power Impulse and Bias Voltage: TiN Coating Deposited by High Power Impulse Magnetron Sputtering by / Chi-Lung Chang, Ching-Yen Lin, Fu-Chi Yang, Jian-Fu Tang. – Text : electronic. – Coatings. – 2021. – № 11(7). – URL : https://doi.org/10.3390/coatings11070822 (дата обращения 20.01.2023).
- Нарцев, В. М. Зависимость структуры AlN покрытий от концентрации азота при осаждении на сапфир магнетронным методом / В. М. Нарцев, С. В. Зайцев, Д. С. Прохоренков, Е. И. Евтушенко, В. С. Ващилин. – Текст : электронный // Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова. – 2016. – № 1. – URL : https://cyberleninka.ru/article/n/zavisimost-struktury-aln-pokrytiy-ot-kontsentratsii-azota-pri-osazhdenii-na-sapfir-magnetronnym-metodom/viewer (дата обращения 20.01.2023).
- Юрьев, Ю. Н. Свойства пленок нитрида титана, полученных методом магнетронного распыления / Ю. Н. Юрьев, К. С. Михневич, В. П. Кривобоков, Д. В. Сиделев, Д. В. Киселева, В. А. Новиков. – Текст : непосредственный // Известия Самарского научного центра РАН. – 2014. – Т. 16, № 4(3). – С. 672–676.
- Danismani, S. The Effects of Coating Obtained by DC Reactive Magnetron Sputtering Technique on the Wear Performance of Engine Parts. – Text : immediate / S. Danismani, O. Bendes // Gazi University Journal of Science. – 2014. – Vol. 27, I.2. – P. 871–881.
- Сошина, Т. О. Проектирование многослойного покрытия TiAlN-TiN-TiAlN с высокими трибологическими свойствами / Т. О. Сошина, В. А. Плюснина, О. И. Сошина. – Текст : непосредственный // Вестник ПНИПУ. Машиностроение и материаловедение. – 2022. – № 1 – 2022. – С. 21–27.
Дополнительные файлы
