Influence of the magnitude of the bias potential and thickness of the layers on the structure, substructure, stress-deformed state and mechanical characteristics of vacuum-arc multi-layered (TiMo)N/(TiSi)N coatings

Abstract

Layers based on titanium nitride doped with molybdenum and silicon were used to create a multilayer composite. In this case, the mismatch between the lattice periods of (TiMo)N and (TiSi)N layers was about 1%. It was found that in the (TiMo)N/(TiSi)N multilayer composite, such a mismatch of the periods in the constituent layers does not change the single-phase state of the composite even at relatively large layer thicknesses (about 350 nm). The creation of a (TiMo)N/(TiSi)N composite with a nanometer layer thickness allows one to reduce the magnitude of macrostresses (a large value of which is characteristic of single-layer (TiMo)N coatings) and change the substructural characteristics in a wide range of values. It has been established that the use of multi-element (TiMo)N and (TiSi)N layers in a multilayer coating design allows one to achieve a high-hard state with high adhesive strength and good tribological characteristics. The highest properties (hardness – 34.8 GPa and adhesive strength - 166.09 N) were achieved in coatings obtained at Ub = -200 V and a layer thickness of 80 nm, which are characterized by compression macrostresses of 7.85 GPa and microstrains - 0.75%.

Для створення багатошарового композиту використані шари на основі нітриду титану, легованого молібденом і кремнієм. При цьому невідповідність періодів решіток (TiMo)N- і (TiSi)N-шарів становила близько 1%. Встановлено, що в багатошаровому композиті (TiMo)N/(TiSi)N така невідповідність періодів у складових шарах не змінює однофазного стану композиту навіть при відносно великих товщинах шарів (близько 350 нм). Створення (TiMo)N/(TiSi)N-композиту з нанометровою товщиною шарів дозволяє зменшити величину макронапружень (більша величина яких властива одношаровим (TiMo)N-покриттям) і в широкому інтервалі значень змінювати субструктурні характеристики. Встановлено, що використання багатоелементних (TiMo)N- і (TiSi)N-шарів при багатошаровому дизайні покриттів дозволяє досягти високотвердого стану з високою адгезійною міцністю і гарними трибологічними характеристиками. Найбільш високі властивості (твердість – 34,8 ГПа і адгезійна міцність – 166,09 Н) були досягнуті в покриттях, отриманих при Ub= -200 В і товщині шару 80 нм, для яких характерна величина макронапружень стиску 7,85 ГПа і мікродеформації – 0,75%.

Для создания многослойного композита использованы слои на основе нитрида титана, легированного молибденом и кремнием. При этом несоответствие периодов решеток (TiMo)N- и (TiSi)N-слоев составило около 1%. Установлено, что в многослойном композите (TiMo)N/(TiSi)N такое несоответствие периодов в составляющих слоях не изменяет однофазного состояния композита даже при относительно больших толщинах слоев (около 350 нм). Создание (TiMo)N/(TiSi)N-композита с нанометровой толщиной слоев позволяет уменьшать величину макронапряжений (большая величина которых свойственна однослойным (TiMo)N-покрытиям) и в широком интервале значений изменять субструктурные характеристики. Установлено, что использование многоэлементных (TiMo)N- и (TiSi)N-слоев при многослойном дизайне покрытий позволяет достичь высокотвердого состояния с высокой адгезионной прочностью и хорошими трибологическими характеристиками. Наиболее высокие свойства (твердость – 34,8 ГПа и адгезионная прочность – 166,09 Н) были достигнуты в покрытиях, полученных при Ub = -200 В и толщине слоя 80 нм, для которых характерна величина макронапряжений сжатия 7,85 ГПа и микродеформации - 0.75%.