Роль структуры и фазового состава в формировании физико-механических и трибологических свойств пленок на основе TiN канд. техн. наук (стр. 1 )

УДК 539.234

РОЛЬ СТРУКТУРЫ И ФАЗОВОГО СОСТАВА В ФОРМИРОВАНИИ

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ И ТРИБОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

ПЛЕНОК НА ОСНОВЕ TiN

канд. техн. наук

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет», Пермь, *****@***ru

С учетом технологических и температурных параметров электродугового испарения установлены закономерности изменения физико-механических и трибологических свойств в зависимости от структуры, фазового состава и напряжений в пленках на основе TiN. Получены нанокристаллические пленки с уникальным комплексом свойств.

1. ВВЕДЕНИЕ

В последние годы эксплуатационные свойства ионно-плазменных поликристаллических пленок (в дальнейшем пленок) оценивают по физико-механическим: микротвердость (Н), модуль Юнга (Е), стойкость к упругой деформации разрушения (Н/Е) [1, 2, 3], сопротивление пластической деформации (Н3/Е*2) [4, 5], упругое восстановление (We) [6] и трибологическим: износостойким - приведенный износ по массе () и объему (), массовый (∆m) и объемный износ (ДVП); антифрикционным - коэффициент (f) и момент трения (Мтр) [7, 8] характеристикам пленки, ее изнашивающей способности по отношению к контртелу - скорость износа (VК) и приведенный износ по объему (), определяемые в результате наноидентирования и трибологических испытаний соответственно. Например, об увеличении сопротивления деформации пленки судят по высокой твердости пленки при ее минимально возможном модуле Юнга [1, 4]; о минимизации упругих напряжений на границе раздела и внутренних остаточных напряжениях в системе пленка-подложка - по модулю Юнга пленки, соответствующему стальным подложкам (Е = 205 GPa) [6]; о структурном состоянии пленки - по характеристике Н/Е: < 0,04 – крупнокристаллические (в основном металлы и сплавы) [9], ~ 0,05…0,09 – мелкокристаллические и наноматериалы (материалы, подвергнутые высоким степеням деформации, керамика, пленки на основе соединений переходных металлов), > 0,1 - материалы в аморфном и аморфнонанокристаллическом состояниях [1]. Однако, ни один из вышеперечисленных характеристик пленки не является определяющим с точки зрения механизма деформации пленок, с учетом того, что многокомпонентные пленки одного состава могут обладать одинаковой микротвердостью, различными значениями и сочетанием Е, Н/Е, Н3/Е2 и We, а разные материалы пленок - практически одинаковыми механическими характеристиками (например, пленки Ti-Zr-C-O и Ti-B-N) [6]. Кроме того, известно, что физико-механические свойства помимо размера и формы нанокристаллитов пленки зависят от ее фазового состава; элементов, формирующих отдельные фазы; относительного содержания фаз; химического взаимодействия между фазами [5]; структурного состояния пленок, изменяющегося под влиянием технологических и температурных параметров (ТехП и ТемП) процесса ее осаждения. Например, установлена различная чувствительность микротвердости и модуля Юнга пленки на основе TiN к росту давления азота в процессе ее осаждения [10]; кристаллографической ориентации, структуры и физико-механических характеристик пленок (Н, Н/Е* и Н3/Е*2) - к потенциалу смещения и температуре подложки [1, 11, 12]. По мнению многих ученных улучшение физико-механических и трибологических характеристик пленок возможно путем оптимизации технологического процесса их формирования.

Известно, что высокими физико-механическими характеристиками (табл. 1) помимо многокомпонентных могут обладать и высокоэкономичные высокотвердые пленки на основе TiN с минимальным размером нанокристаллитов (зерен) до (3…5) нм при отсутствии характерной для наноструктурных материалов аномальной зависимости Холла-Пэтча [1, 4, 10, 11, 13]; улучшенной гомогенностью объемной структуры, относительно сниженной объемной долей металлических частиц, биаксиальными сжимающими внутренними напряжениями, упорядоченными нитридными фазами Ti3N2 и Ti6N5 (достехиометрические составы), металлическими микро - и нановключениями в матрице фазы TiNy (двухфазное состояние системы) [1, 10, 11]; бимодальностью зеренной структуры пленок с признаками наноструктуры [14, 15]; фракциями из "твердых" нитевидных зерен, характерных для материалов в наносостоянии [16, 17]; очень мелкими сильно разориентированными зернами, уплотненными границами зерен и радиационными дефектами (пары Френкеля и другие точечные дефекты) [11]. Вопрос о том, какими должны быть структурные характеристики пленок с комплексом высоких физико-механических, износостойких и антифрикционных характеристик пока остается открытым, требует дополнительного изучения и представляет, как научный, так и практический интерес.

Целью настоящей работы является установление закономерностей влияния структурных и фазовых характеристик, преимущественного направления кристаллографической ориентации и напряжений в пленках на основе TiN на их физико-механические и трибологические характеристики с учетом ТехП и ТемП; оптимизация процесса электродугового испарения (ЭДИ) для получения нанокристаллических пленок с уникальным комплексом физико-механических и трибологических характеристик.

2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Пленки на основе TiN на тестовых образцах из Ст3 и ВК8 получали ЭДИ одного катода из титана марки ВТ-1-00 при варьировании одного из основных ТехП: тока дуги (Iд=80…100 А), напряжения смещения на подложке (Uсм=80…250 В), давления газовой смеси (Р=0,6…1,4 Па), содержании азота в газовой смеси (N2=30…90 %), расстояния катод - подложка (L=270…400 мм) после ионной очистки-нагрева поверхности и осаждения подслоя из Тi. Температуру поверхности тестового образца после ионной очистки, осаждения подслоя, а также температуру пленки каждые 10 мин процесса осаждения пленки при общей продолжительности Тпр=30 мин измеряли инфракрасным бесконтактным пирометром «Термикс».

Морфологию поверхности, структуру излома, толщину пленок и содержание азота в пленках изучали с использованием автоэмиссионного электронного микроскопа Ultra 55. Фазовый состав определяли по дифрактограммам, полученным в Cu Кα излучении с участков пленок на основе TiN с использованием рентгеновского дифрактометра Shimadzu XRD-6000. Фазовые изменения в пленках на основе TiN оценивали объемными долями входящих фаз (VTiN, VTiN0,3 и VTi) и направлениями преимущественной кристаллографической ориентации; структурные изменения - по деформации кристаллической решетки (КР): еа=, ес= (а –параметр КР кубической фазы TiN; а и с – параметры КР гексагональной фазы TiN0,3), изменению типа текстуры и текстурного коэффициента Т= maxI111/IУ. Ориентированные микронапряжения условно оценивали по смещению положения двух максимумов дифракционных линий рентгеновского излучения (111) и (222) основной кубической фазы деформированного материала пленки относительно недеформированного: Дs=; микронапряжения – по уширению пиков в0111 и в0101 на дифрактограммах и величиной еd= (d – межплоскостное расстояние). Термическую составляющую остаточных напряжений оценивали по формуле (ДТ – разность между исходной и конечной температурой пленки, бпл и бп - коэффициент теплового расширения пленки и подложки, Е - модуль Юнга пленки, н – коэффициент Пуассона пленки).

Морфологию поверхности и структуру излома пленки на основе TiN изучали с использованием автоэмиссионного электронного микроскопа Ultra 55. Количественно обрабатывали полученные изображения пленок на всех стадиях ее формирования. Фазовый состав пленок определяли по дифрактограммам, полученным в Cu Кα излучении с участков пленок с использованием рентгеновского дифрактометра Shimadzu XRD-6000. Фазовые изменения в пленках оценивали объемными долями входящих фаз: VTiN, VTiN0,3. Структурные изменения исследовали по деформации КР: еа=, ес= (а –параметр КР кубической фазы TiN; а и с – параметры КР гексагональной фазы TiN0,3), изменению типа текстуры и текстурного коэффициента Т, по сравнительным диаграммам интенсивностей дифракционных пиков кубической фазы TiN (рис. 1). Ориентированные микронапряжения условно оценивали по смещению положения одного и двух максимумов дифракционных линий рентгеновского излучения (111) и (222) основной кубической фазы деформированного материала пленки относительно недеформированного: еИ= и Дs= соответственно. Микронапряжения, соответствующие сложному напряженному состоянию и образующиеся в процессе осаждения вследствие локальных изменений параметра кристаллической решетки зерен, анализировали уширением пиков в0111 и в0101 на дифрактограммах и величиной еd= (d – межплоскостное расстояние). Термическую составляющую остаточных напряжений, возникающую из-за неодинакового расширения или сокращения объемов пленки и подложки при нагревании / охлаждении в процессе осаждения / эксплуатации и существенно влияющую на эволюцию структуры и функциональные характеристики пленок, оценивали по формуле (ДТ – разность между исходной и конечной температурой пленки, бпл и бп - коэффициент теплового расширения (к. т.р.) пленки и –подложки, Е – модуль Юнга пленки, н – коэффициент Пуассона пленки).