1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Неорганические материалы
  4. T. 58, № 10, 2022

Неорганические материалы, 2022, T. 58, № 10, стр. 1053-1063

Структура, механические свойства, термическая стабильность и химическая устойчивость метастабильного твердого раствора Ti1 – xAlxN (x = 0.03–0.05), сформированного в виде arc-PVD-покрытия на сплавах ВК

И. В. Блинков 1, *, В. С. Сергевнин 1, А. В. Черногор 1, Д. С. Белов 1, А. П. Демиров 1, Ф. В. Кирюханцев-Корнеев 1

1 Национальный исследовательский технологический университет “МИСиС”
119049 Москва, Ленинский пр., 4, Россия

* E-mail: biv@misis.ru

Поступила в редакцию 23.05.2022
После доработки 28.06.2022
Принята к публикации 05.07.2022

Аннотация

Проведены сравнительные исследования химической и термической устойчивости, а также механических свойств arc-PVD-покрытий TiN и Ti0.97Al0.03N. При нагреве покрытий в вакууме до 600 и 700°С происходят рост размеров ОКР, уменьшение значений двухосных макронапряжений, периодов решетки, микродеформаций, что определяется термически активируемыми процессами восстановления структуры, обусловленного аннигиляцией дефектов, возникающих при формировании покрытий. В покрытии Ti0.97Al0.03N релаксация напряжений осуществляется более интенсивно, что связано с большей плотностью дефектов. При 700°С происходит спинодальный распад твердого раствора Ti0.97Al0.03N на TiN и AlN (ГЦК). В отличие от покрытия TiN твердость, параметры H3/E2 и H/E Ti0.97Al0.03N с ростом температуры отжига до 700°С практически не изменяются, что определяется дисперсионным упрочнением в результате спинодального распада. В кислотной и щелочной средах поведение покрытий однотипно, при этом Ti0.97Al0.03N проявляет несколько бóльшую стойкость к окислению на воздухе при 550°С.

Ключевые слова: нитриды, твердость, термическая стабильность, спинодальный распад, arc-PVD

Список литературы

  1. Schuster J.C., Bauer J. The Ternary System Titanium-Aluminum-Nitrogen // J. Solid State Chem. 1984. V. 53. № 2. P. 260–265. https://doi.org/10.1016/0022-4596(84)90100-2

  2. Wahlstrom U., Hultman L, Sundgren J.-E., Adibi F., Petrov I., Greene J.E. Crystal Growth and Microstructure of Polycrystalline Ti1−xAlxN Alloy Films Deposited by Ultra-High-Vacuum Dual-Target Magnetron Sputtering // Thin Solid Films. 1993. V. 235. № 1–2. P. 62–70. https://doi.org/10.1016/0040-6090(93)90244-J

  3. Tanaka Y., Gur T.M., Kelly M., Hagstrom S.B., Ikeda T., Wakihira K., Satoh H. Properties of (Ti1 –xAlx)N Coatings for Cutting Tools Prepared by the Cathodic arc Ion Plating Method // J. Vac. Sci. Technol., A. 1992. V. 10. № 4. P. 1749–1756. https://doi.org/10.1116/1.577742

  4. Ikeda T., Satoh H. Phase Formation and Characterization of Hard Coatings in the Ti–Al–N System Prepared by the Cathodic arc Ion Plating Method // Thin Solid Films. 1991. V. 195. № 1–2. P. 99–110.

  5. Hörling A., Hultman L., Odén M., Sjölén J., Karlsson L. Mechanical Properties and Machining Performance of Ti1 –xAlxN-Coated Cutting Tools // Surf. Coat. Technol. 2005. V. 191. № 2–3. P. 384–392. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2004.04.056

  6. Kutschej K., Mayrhofer P.H., Polcik P., Kathrein M., Tessadri R., Mitterer C. Structure, Mechanical and Tribological Properties of Sputtered Ti1 –xAlxN Coatings with 0.5 < x < 0.75 // Surf. Coat. Technol. 2005. V. 200. № 7. P. 2358–2365. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2004.12.008

  7. Wang D.-Y., Li Y.-W., Ho W.-Y. Deposition of High (Ti,Al)N Hard Coatings by Vacuum arc Evaporation Process // Surf. Coat. Technol. 1999. V. 114. № 2–3. P. 109–113. https://doi.org/10.1016/S0257-8972(99)00020-1

  8. Bressan J.D., Hesse R., Silva E.M., Jr. Abrasive Wear Behavior of High Speed Steel and Hard Metal Coated with TiAlN and TiCN // Wear. 2001. V. 250. № 1–12. P. 561–568. https://doi.org/10.1016/S0043-1648(01)00638-X

  9. Bouzakis K.-D., Michailidis N., Skordaris G., Bouzakis E., Biermann D., M’Saoubi R. Cutting with Coated Tools: Coating Technologies, Characterization Methods and Performance Optimization // CIRP Ann. 2012. V. 61. № 2. P. 703–723. https://doi.org/10.1016/j.cirp.2012.05.006

  10. Sui X., Lin G., Qin X., Yu H., Zhou X., Wang K., Wang Q. Relationship of Microstructure, Mechanical Properties and Titanium Cutting Performance of TiAlN/TiAlSiN Composite Coated Tool // Ceram. Int. 2016. V. 42. № 6. P. 7524–7532. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2016.01.159

  11. Vereschaka A.A., Grigoriev S.N., Sitnikov N.N., Batako A.D. Delamination and Longitudinal Cracking in Multi-Layered Composite Nanostructured Coatings and Their Influence on Cutting Tool Life // Wear. 2017. V. 390–391. P. 209–219. https://doi.org/10.1016/j.wear.2017.07.021

  12. Beake B.D., Ning L., Gey Ch., Veldhuis S.C., Komarov A., Weaver A., Khanna M., Fox-Rabinovich G.S. Wear Performance of Different PVD Coatings during Hardwet Endmilling of H13 Tool Steel // Surf. Coat. Technol. 2015. V. 279. P. 118–125. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2015.08.038

  13. Анкин В.Н., Блинков И.В., Волхонский А.О., Соболев Н.А., Кратохвил Р.В., Фролов А.Е., Царева С.Г. Ионно-плазменные покрытия Ti–Al–N на режущем твердосплавном инструменте, работающем в условиях постоянных и знакопеременных нагрузок // Изв. вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2009. № 1. С. 44–52.

  14. Blinkov I.V., Belov D.S., Volkhonskiy A.O., Chernogor A.O., Sergevnin V.S. Hardening ion plasma coatings (Ti, Alx)N (x = 3 at. %) for Carbide Cutting Tools // J. Phys.: Conf. Ser. 2020. V. 1713. P. 012011. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1713/1/012011

  15. Блинков И.В., Волхонский А.О., Белов Д.С., Блинков В.И., Скрылёва Е.А., Швындина Н.В. Наноструктурирование и модифицирование свойств вакуумно-дуговых покрытий TiN введением в их состав никеля // Неорган. материалы. 2015. Т. 51. № 2. С. 163–170.

  16. Вайнштейн Б.К. Современная кристаллография (в четырех томах). Т. 1. Симметрия кристаллов. Методы структурной кристаллографии. М.: Наука, 1979. 384 с.

  17. ISO/FDIS14577-1:2002 Металлические материалы – инструментальное индентирование для определения твердости и механических свойств.

  18. Кирюханцев–Корнеев Ф.В. Анализ элементного состава покрытий с использованием высокочастотной оптической эмиссионной спектроскопии тлеющего разряда // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2012. Т. 48. № 5. С. 488–494.

  19. Xia Q., Xia H., Ruoff A.L. Pressure Induced Rocksalt Phase of Aluminum Nitride: A Metastable Structure at Ambient Condition // J. Appl. Phys. 1993. V. 73. P. 8198. https://doi.org/10.1063/1.353435

  20. Horling A., Hultman L., Oden M., Sjolen J., Karlsson T. Thermal Stability of arc Evaporated Highaluminum-Content Ti1 –xAlxN Thin Films // J. Vac. Sci. Technol. A. 2002. V. 20. P. 1815–1823. https://doi.org/10.1116/1.1503784

  21. Mayrhofer P.H., Horling A., Karlsson L., Mitterer C., Hultman L. Self-Organized Nanostructures in the Ti–Al–N System // Appl. Phys. Lett. 2003. V. 83. № 10. P. 2049. https://doi.org/10.1063/1.1608464

  22. Donohue L.A., Lewis D.B., Munz W.-D., Stack M.M., Lyon S.B., Wang H.-W., Rafaja D. The Influence of Low Concentrations of Chromium and Yttrium on the Oxidation Behaviour, Residual Stress and Corrosion Performance of TiAlN Hard Coatings on Steel Substrates // Vacuum. 1999. V. 55. № 2. P. 109–114. https://doi.org/10.1016/S0042-207X(99)00135-9

  23. Suh C.-M., Hwang B.-W., Murakami R.-I. Behaviors of Residual Stress and Hightemperature Fatigue Life in Ceramic Coatings Produced by PVD // Mater. Sci. Eng. A. 2003. V. 343. № 1–2. P. 1–7. https://doi.org/10.1016/S0921-5093(02)00327-1

  24. Jaros M., Musil J., Haviar S. Interrelationships among Macrostress, Microstructure and Mechanical Behavior of Sputtered Hard Ti(Al,V)N Films // Mater. Lett. 2019. V. 235. P. 92–96. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2018.09.173

  25. Thornton J.A., Hoffman D.W. Stress-Related Effects in Thin Films // Thin Solid Films. 1989. V. 171. № 1. P. 5–31. https://doi.org/10.1016/0040-6090(89)90030-8

  26. Kim J.H., Gu G., Kwon M.-H., Koo M., Kim E.-Y., Kim J.-K., Lee J.S., Suh D.-W. Microstructure and Tensile Properties of Chemically Heterogeneous Steel Consisting of Martensite and Austenite // Acta Mater. 2022. V. 223. P. 117506. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117506

  27. Leyland A., Matthews A. On the Signification of the H/E Ratio in Wear Control: a Nanocomposite Coatings Approach to Optimized Tribological Behaviour // Wear. 2000. V. 246. № 1–2. P. 1–11. https://doi.org/10.1016/S0043-1648(00)00488-9

  28. Mannling H.-D., Patil D.S., Moto K., Jilek M., Veprek S. Thermal Stability of Superhard Nanocomposite Coatings Consisting of Immiscible Nitrides // Surf. Coat. Technol. 2001. V. 146–147. P. 263–267. https://doi.org/10.1016/S0257-8972(01)01474-8

  29. Bertoti I. Characterization of Nitride Coatings by XPS // Surf. Coat. Technol. 2002. V. 151–152. P. 194–203. https://doi.org/10.1016/S0257-8972(01)01619-X

  30. Burke A.R., Brown C.R., Bowling W.C., Glaub J.E., Kapsch D., Love C.M., Whitaker R.B., Moddeman W.E. Ignition Mechanism of the Titanium–Boron Pyrotechnic Mixture // Surf. Interface Anal. 1988. V. 11. P. 353–358. https://doi.org/10.1002/sia.740110614

  31. Munz W.-D. Titanium Aluminum Nitride Films: A New Alternative to TiN Coatings // J. Vac. Sci. Technol. A. 1986. V. 4. P. 2717–2725. https://doi.org/10.1116/1.573713

  32. Chen L., Paulitsch J., Du Y., Mayrhofer P.H. Thermal Stability and Oxidation Resistance of Ti–Al–N Coatings // Surf. Coat. Technol. 2012. V. 206. P. 2954–2960. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2011.12.028

  33. Ковалёв И.А., Огарков А.И, Шокодько А.В., Шевцов С.В., Коновалов А.А., Канныкин С.В., Ашмарин А.А., Кочанов Г.П., Чернявский А.С., Солнцев К.А. Структурные и фазовые превращения в компактной керамике на основе нитрида титана в прцессе высокотемпературного нагрева в газовых средах // Неорган. материалы. 2019. Т. 55. № 8. С. 903–907.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Неорганические материалы

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал