Роль структуры и фазового состава в формировании физико-механических и трибологических свойств пленок на основе TiN (стр. 2 )

Физико-механические характеристики пленок: микротвердость (НIT = Н); пластическую твердость, учитывающую только пластическую деформацию (HUp1); модуль Юнга (ЕIT = Е); приведенный модуль Юнга (Е* = ЕIT/(1-ν2), где ν – коэффициент Пуассона) и величину упругого восстановления (Wе) определяли в соответствии со стандартом DIN EN ISO 14577-1 методом наноиндентации с использованием измерительной системы FISCHERSCOPE H100C и математической обработки серии полученных экспериментальных кривых нагрузки/разгрузки тестового образца с пленкой (НПФ «Элан-Практик», г. Дзержинск). В течение тестовой процедуры нагрузку постепенно увеличивали до заданной величины, а затем снижали до нулевого значения. Нагрузку выбирали в соответствии с правилом Buckle (глубина вдавливания индентера составляла менее 10% от толщины пленки). В качестве индентера использовали алмазную пирамидку Виккерса с квадратным основанием и лицевым углом 1360. По характеристикам пленки Н и Е рассчитывали стойкость к упругой деформации разрушения (Н/Е), по HUp1 и Е* - сопротивление пластической деформации (HUp13/Е*2). Адгезию пленки оценивали двумя способами: по величине SRC – отношение площади скола пленки вокруг отпечатка алмазного конуса Роквелла (150 кгс) (Sск) к площади отпечатка в плоскости пленки (Sотп) (метод разработан в ХФТИ): SRC= (Sск/ Sотп) ∙ 100 % и по адгезионному тесту Роквелла (стандарт VDI-3198, Германия). Трибологические испытания пленок для установления их антифрикционных: коэффициент (f) и момент трения (Мтр), массовый износ (∆m), потерю объема лунки износа (ΔVП), изнашивающую способность пленки: скорость износа контртела (VК), приведенный износ контртела по объему () и износостойких свойств: приведенный износ по массе () и объему () автор работы и инженер кафедры «Конструирование машин и сопротивление материалов» ПНИПУ проводили на машине трения по схеме «палец-диск» в соответствии с разработанной ими методикой [7]. Для оценки , и использовали методику [8], разработанную в Научно-учебном центре СВС МИСиС (технологический университет). Толщину пленки определяли с использованием динамического ультрамикротвердомера SHIMADZU DUH-211S, а также на поперечных шлифах с использованием электронного микроскопа Ultra 55.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

ТехП и ТемП процесса осаждения пленок на основе TiN, сформированных при варьировании одного из ТехП, результаты структурных и морфологических исследований полученных ЭДИ пленок приведены в табл. 1, рентгендифракционного фазового анализа пленок – в табл. 2, механических и трибологических испытаний пленок – в табл. 3 и табл. 4 соответственно.

4. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

ТехП и ТемП процесса осаждения пленки, кроме содержания азота в газовой смеси не изменяют направления преимущественной кристаллографической ориентации пленок с основным направлением (111) (рис. 1). Только дефицит азота в газовой смеси приводит к разупорядочению пленки, либо изменению типа ее текстуры с (111)TiN на (200)+(311)TiN, многократному ухудшению адгезионной прочности пленки к подложке.

Размер ОКР=14…28 нм кубической фазы сформированных пленок на основе TiN, свидетельствующий об их наноструктурном состоянии, оказывает неоднозначное влияние на физико-механические и трибологические характеристики пленок (рис. 2, а) и должен рассматриваться в совокупности с технологическими параметрами процесса осаждения, структурными и фазовыми характеристиками пленок.

Полученные многофакторные графики зависимостей структурных: размер ОКР и деформация кубической решетки, фазовой – объемная доля основной кубической фазы пленки, физико-механических – сопротивление пластической деформации и упругое восстановление, износостойкой – интенсивность износа пленки по объему, антифрикционной – коэффициент трения характеристик пленки (рис. 2. б-л) позволяют заключить:

- неравномерное изменение Н и Е и, как следствие, ухудшение сопротивляемости пластической деформации HUp13/Е*2 и упругого восстановления Wе вызвано увеличением размера ОКР, снижением степени текстурированности пленки, разноименной и значительно отличающейся по величине деформации кристаллических решеток основной кубической и дополнительной гексагональной фаз;

- рост f и Мтр, увеличение износа пленки и ее изнашивающей способности по отношению к контртелу вызваны кроме вышеприведенных структурных характеристик, увеличением неоднородности и дефектности пленки, а также уменьшением ее фазовой характеристики - объемной доли основной кубической фазы;

- при высоких физико-механических характеристиках, незначительно изменяющемся размере ОКР и степени текстурированности пленки, максимальной объемной доли основной кубической фазы причиной многократного ухудшения износостойких и антифрикционных характеристик пленок, полученных при удалении подложки в потоке пленкообразующих частиц относительно катода, является увеличение неоднородности и дефектности пленки, а также уменьшение ее толщины;

- уникальное сочетание физико-механических (Е=424 ГПа, Н=34 ГПа, Н/Е=0,08, HUp13/Е*2=0,21 ГПа и Wе=58 %), износостойких (∆m=2,85 мг, = 3,54∙10-5 мгН-1м-1 и =0,92∙10-4 мм3Н-1м-1) характеристик пленки, сформированной при оптимальном сочетании постоянных ТехП: Р=1,0 Па; L=270 мм; Iд=80 А; Uсм=200 В; N2=90 % и ТемП: 645 К ≤Тп≤ 725 К; Vнагр= 3,7 К/мин, автор связывает с формированием в ней наноструктурированного состояния, однородностью структуры, максимальной степенью текстурированности, минимальной величиной деформации кристаллической решетки дополнительной гексагональной фазы, минимальными ориентированными и максимальными внутренними напряжениями в пленке, а антифрикционных характеристик (f=0,08, Мтр=0,10 н∙м) и минимальной изнашивающей способности по отношению к контртелу ( = 0,18∙10-8 мм3Н-1м-1 и VК=0,51∙10-3 ммс-1) – кроме вышеприведенных причин с фазовой однородностью пленок, минимальной дефектностью и шероховатостью;

- к значительному ухудшению физико-механических и трибологических характеристик пленки, увеличению ее изнашивающей способности приводит появление дополнительной тетрагональной Ti2N фазы (30 % N2, 90 А, 100 А, 300 мм), смена основной фазы с кубической на гексагональную (30 % N2), разупорядочение пленки (50 % N2), изменение типа текстуры пленки (111)TiN→(200)+(311)TiN (0,6 Па); формирование элементов пленки в различном структурном состоянии (0,6 Па; 80…150 В; 100 А; 330 мм; 400 мм; 30…50 % N2), неравновесные поверхностные фрактальные и структуры пластинчатого строения (100…150 В; 400 мм; 50 % N2); увеличение размера ОКРTiN с 14 нм до 43 нм; ОКРTiN0,3 с 16 нм до 25 нм; нарушение сплошности поверхности пленки большой площади (0,6 Па; 1,4 Па; 80…100 В; 90…100 А); повторное формирование на сплошной пленке 3D образований по размеру соизмеримых с толщиной пленки и/или протяженных стержневых образований, анизотропия скоростей формирования пленки (0,6…0,8 Па; 80…150 В; 330…400 мм); разрушение (30 % N2; 400 мм) и растрескивание (360 мм) элементов пленки; изменение формы выхода зерен на поверхность пленки (1,4 Па), вызванные значительным отклонением ТехП и ТемП относительно их оптимального значения.

Вследствие невысоких значений термических напряжений σт=0,14…0,47 ГПа во всех пленках они не рассматривались в качестве причины изменения их свойств.

3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные металлографические исследования и рентгендифракционный фазовый анализ, механические и трибологические испытания пленок на основе TiN, сформированных методом ЭДИ, позволили установить, что на физико-механические и трибологические свойства, изнашивающую способность пленок оказывает влияние, как величина, так и сочетание возникающих ориентированных и внутренних напряжений в пленках, объемной доли основной кубической фазы, направления преимущественной кристаллографической ориентации, соотношения и характера изменения деформации кристаллических решеток кубической и гексагональной фаз, типа текстуры, степени текстурированности, размера ОКР, морфологических особенностей, структурного состояния и дефектности пленок, изменяемых под влиянием ТехП и ТемП.

Определено, что получить нанокристалличекие пленки на основе TiN с уникальным комплексом физико-механических, трибологических свойств и минимальной изнашивающей способностью по отношению к контртелу возможно только при оптимальном сочетании ТехП и ТемП, структурных и фазовых характеристик пленки.

Установленная корреляционная связь между ТехП и ТемП процесса ЭДИ, структурными характеристиками, фазовым составом, физико-механическими и трибологическими свойствами пленок на основе TiN позволит варьировать структуру и свойства пленок для различного практического применения.

Автор благодарит академика РАН, д. т.н. ; д. т.н. ; д. т.н. ; к. т.н. ; генерального директора НПФ «Элан-Практик» (г. Дзержинск) за содействие в проведении экспериментальной части работы.

ЛИТЕРАТУРА

1. , , Столбовой характеристик вакуумно-дуговых наноструктурных TiN покрытий, осаждаемых при подаче на подложку высоковольтных импульсов // ФИП, 2007. Т. 5. № 1-2. С. 94-97.

2. Мильман методики микромеханических испытаний материалов методом локального нагружения жестким индентором // Сучасне матеріалознавство ХХI сторіччя. К.: “Наукова думка”, 1998. 637 с.