Physical and Mechanical Properties, Effect of Thermal Annealing in Vacuum and in Air on Nanograin Sizes in Hard and Superhard Coatings Zr-Ti-Si-N

• Autorzy: Pogrebnjak A. D. , Mahmood A. M. , Demianenko A. A. , Baidak V. S. , Shypylenko A. P. , Beresnev V. M. , Grudnitskii V. V. , Zhukowski P.

Warianty tytułu

PL

Fizyczne i mechaniczne właściwości, wpływ wygrzewania w próżni i w powietrzu na nanorozmiarowe ziarna w twardych i supertwardych powłokach Zr-Ti-Si-N

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Powłoki Zr-Ti-Si-N posiadają wysoką stabilność termiczną składu fazowego i zachowują stan strukturalny w temperaturach wygrzewania poniżej 1180oC w próżni i 830oC w powietrzu. Opisany został wpływ wygrzewania izochronicznego na skład fazowy, budowę i stan naprężeń powłok Zr-Ti-Si-N- nanoszonych jonowo (powłok nanokompozytowych). W próżni, w temperaturach wygrzewania poniżej 1000oC, zmiany składu fazowego są określone poprzez pojawianie się krystalitów azotku krzemu (B-Si3N4) o heksagonalnej sieci krystalicznej oraz przez tworzenie krystalitów tlenku ZrO2. Tworzenie tych ostatnich nie powodowało rozpadu roztworu stałego (ZrTi)N, jednakże zwiększyło w nim zawartość składnika Ti. Wygrzewania próżniowe zwiększyło rozmiary nanokrystalitów roztworu od 12 do 15 i wytworzonej powłoki do 25 nm po osiągnięciu temperatury wygrzewania 1180oC. Możliwe było także odnalezienie makro- i mikrorelaksacji, którym towarzyszyło tworzenie defektów o wartości osiągającej 15,5 obj.%. Poniżej temperatury wygrzewania 530oC w próżni lub w powietrzu twardość powłoki nanokompozytowej wzrastała. Przy wzroście koncentracji Ti oraz Si powstają trzy fazy nc-ZrN, (Zr, Ti)N-nc oraz �[alfa]-Si3N4 a średnia twardość wzrastała do 40,8š4GPa. Wygrzewanie do 500oC zwiększyło twardość i wykazało niższy rozrzut wartości H=(48š6) GPa oraz E=(456š78)GPa.

EN

Zr-Ti -Si-N coating had high thermal stability of phase composition and remained structure state under thermal annealing temperatures reached 1180oC in vacuum and 830oC in air. Effect of isochronous annealing on phase composition, structure, and stress state of Zr-Ti-Si-N- ionplasma deposited coatings (nanocomposite coatings) was reported. Below 1000oC annealing temperature in vacuum, changing of phase composition is determined by appearing of siliconitride crystallites (B-Si3N4) with hexagonal crystalline lattice and by formation of ZrO2 oxide crystallites. Formation of the latter did not result in decay of solid solution (ZrTi)N but increased in it a specific content of Ti-component. Vacuum annealing increased sizes of solid solution nanocrystallites from (12 to 15) and as-deposited coatings to 25 nm after annealing temperature reached 1180oC. One could also find macro- and microrelaxations, which were accompanied by formation of deformation defects, which values reached 15.5 vol.%. Under 530oC annealing in vacuum or in air, nanocomposite coating hardness increased. When Ti and Si concentration increased and three phases nc-ZrN, (Zr, Ti)N-nc, and á-Si3N4 were formed, average hardness increased to (40,8š4) GPa. Annealing to 500oC increased hardness and demonstrated lower spread in values H=(48š6) GPa and E=(456š78) GPa.

Słowa kluczowe

PL

wygrzewanie; nanokompozyt; Zr-Ti-Si-N; twardość; nanoziarno; supertwardy

EN

annealing; nanocomposite; Zr-Ti-Si-N; hardness; nanograin; superhard

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Elektrotechniczny
• Rocznik: 2012
• Tom: R. 88, nr 7a
• Strony: 315--318
• Opis fizyczny: Bibliogr. 13 poz., il., schem., wykr.

Twórcy

autor

Pogrebnjak A. D.

autor

Mahmood A. M.

autor

Demianenko A. A.

autor

Baidak V. S.

autor

Shypylenko A. P.

autor

Beresnev V. M.

autor

Grudnitskii V. V.

autor

Zhukowski P.

• Sumy State University, Sumy Institute for Surface Modificatrion,, 2, R-Korsakov Str., 40007 Sumy, Ukraine,

Bibliografia

• [1] Pogrebnjak A.D., Shpak A.P., Azarenkov N.A., Beresnev V.M., Structures and Properties of Hard and Superhard Nanocomposite Coatings, Usp. Phys., 179 (2009), 35-64
• [2] Musil J., Zeman P., Hard a-Si3N4/MeNx nanocomposite coatings with high thermal stability and high oxidation resistance, Solid. State. Phenome, 127, (2007), 31-36
• [3] Zhang R.F., Argon A.S., Veprek S., Electronic structure, stability, and mechanism of the decohesion and shear of interfaces in superhard nanocomposites and heterostructures, Phys. Rev., 79 (2009), art. no. 245426
• [4] Veprek S., Veprek-Heijman M.G.J., Karvankova P., Prochazka J., Different approaches to superhard coatings and nanocomposites, Thin Solid Films, 476, 1 (2005), 1-29
• [5] Musil J., Dohnal P., Zeman P ., Physical properties and high-temperature oxidation resistance of sputtered Si3N4 MoNx nanocomposite coatings, Vac. Sci. Technology, 23 (4), (2005), 1568-1575
• [6] Uglov V.V., Anishcik V.M., Zlotski S.V., Abadias G., Dub S.N., Structural and mechanical stability upon annealing of arc-deposited Ti-Zr-N coatings, Surf. and Coat. Tech, 202 (11), (2008), 2394-2398
• [7] Azarenkov N.A., Beresnev V.M., Pogrebnjak A.D. Structure and Properties of Coatings and Modified Layers of Materials. – Kharkov: KhNU, 565, (2007)
• [8] Gavaleiro A., De Hosson J .T., Nanostructure Coating, 340, (2006)
• [9] Musil J., Physical and Mechanical Properties of Hard Nanocomposite Films Prepared by Reactive Magnetron Sputtering. Ch. 10/Eds. A. Cavaleiro, J.Th.M. De Hosson. – Kluwer Academic/Plenum Publishers. (N.-Y. USA), (2005)
• [10] Vishniakov Ja.D., Moscow: Metallurgija, 480.(1975)
• [11] Sobol, O.V., Pogrebnjak, A.D., Beresnev, V.M. Effect of the Preparation Conditions on the Phase Composition, Structure, and Mechanical Characteristics of Vacuum Arc Zr–Ti–Si–N Coatings The Physics of Metals and Metallography Vol. 112 №2 2011: pp.188-195.
• [12] Pogrebnjak A.D., Danilionok M.M, Uglov V.V., Erdybaeva N.K., Ki r ik G.V., Dub S.N., Rusakov V.S., Shypylenko A.P., Zukovski P.V., Tuleushev Y.Zh. , Nanocomposite protective coatings based on Ti-N-Cr/Ni-Cr-B-Si-Fe, their structure and properties, Vacuum, 83 (2009), 235-239
• [13] Pogrebnjak A.D., Ponomariev A.G., Shpak A.P., Kunitskii Yu.A., Application of micro-nanoprobes for the analysis of small-size 3D materials, nanosystems, and nanoobjects, Usp. Phys. Nauk, 182 (3) (2012), 287-321