Сhanges in the structural state and properties of vacuum-arc coatings based on high-entropy alloy TiZrHfNbTa under the influence of nitrogen pressure and bias potential at deposition

Abstract

Complex studies have been carried out on the effect of nitrogen pressure and the negative bias potential on the structure and properties of vacuum-arc nitride coatings based on the high-entropy alloy TiZrHfNbTa. It is defined that the change in pressure during deposition (in the range 0.01...4 mTorr) mainly affects the nitrogen atoms content in the coating. The feed of a negative bias potential to the substrate (Ub = -50...-250 V) makes it possible to control the content of the metallic component using the effect of selective sputtering of atoms in the formation of coatings. Determined, that as the pressure increases the structural state associated with the predominant growth orientation (axial texture) of the crystallites changes. The texture changes in the sequence [311] → [311] + [111] → [111] with increasing pressure for a six-element (TiZrHfVNbTa)N nitride and the texture state changes in the sequence [110] → [110] + [111] → [111] for a five-element (TiZrHfNbTa)N nitride. It is shown that the presence of a bitextured state in the coating makes it possible to achieve an ultrahard state with a hardness exceeding 50 GPa.

Проведено комплексні дослідження щодо впливу тиску азоту і негативного потенціалу зміщення на структуру і властивості вакуумно-дугових нітридних покриттів на основі високоентропійного сплаву TiZrHfNbTa. Визначено, що зміна тиску при осадженні (в інтервалі 0,01 ... 4 мТорр) в основному впливає на вміст атомів азоту в покритті, а подача негативного потенціалу зміщення на підкладку (Ub = -50...-250 В) дозволяє управляти вмістом металевої складової використовуючи ефект селективного розпилення атомів при формуванні покриття. Встановлено, що зі збільшенням тиску відбувається зміна структурного стану, пов'язаного з переважною орієнтацією зростання (аксіальної текстури) кристалітів. Для шестиелементного нітриду (TiZrHfVNbТа)N зі збільшенням тиску відбувається зміна текстури в послідовності [311] → [311] + [111] → [111], а для пʼятиелементного нітриду (TiZrHfNbТа)N текстурний стан змінюється в послідовності [110] → [110] + [111] → [111]. Показано, що наявність бітекстурного стану в покритті дозволяє досягти надтвердого стану з твердістю понад 50 ГПа.

Проведены комплексные исследования по влиянию давления азота и отрицательного потенциала смещения на структуру и свойства вакуумно-дуговых нитридных покрытий на основе высокоэнтропийного сплава TiZrHfNbTa. Определено, что изменение давления при осаждении (в интервале 0,01…4 мТорр) в основном влияет на содержание атомов азота в покрытии, а подача отрицательного потенциала смещения на подложку (Ub.= -50…-250 В) позволяет управлять содержанием металлической составляющей c использованием эффекта селективного распыления атомов при формировании покрытия. Установлено, что с увеличением давления происходит изменение структурного состояния, связанного с преимущественной ориентацией роста (аксиальной текстуры) кристаллитов. Для шестиэлементного нитрида (TiZrHfVNbТа)N с увеличением давления происходит изменение текстуры в последовательности [311] → [311] + [111] → [111], а для пятиэлементного нитрида (TiZrHfNbТа)N текстурное состояние изменяется в последовательности [110] → [110] + [111] → [111]. Показано, что наличие битекстурного состояния в покрытии позволяет достигнуть сверхтвердого состояния с твердостью, превышающей 50 ГПа.