Structure and Phase Formation in the Ti–Al–Mo–N and Ti–Al–Mo–Ni–N Systems during the Arc PVD Coating Process

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Nanostructured Ti–Al–Mo–N and Ti–Al–Mo–Ni–N coatings with a layered architecture have been grown by arc PVD. We have determined deposition parameters (reaction gas (nitrogen) pressure and negative bias voltage applied to the substrate and determining the energy of incident particles) that enable the formation of a two-phase nitride (TiN + Mo2N) coating in the Ti–Al–Mo–N system and a nitride–metal (TiN + Mo2N + Ni) coating in the Ti–Al–Mo–Ni–N system. The addition of Ni to the composition of Ti–Al–Mo–N coatings leads to a decrease in the average grain size of the nitride phases from 35 to 12 nm and reduces the modulation period from 50 to 35 nm by limiting the growth of nitride nuclei. This is accompanied by a decrease in biaxial macrostress: from σ = –2.51 GPa in the Ti–Al–Mo–N coating to σ = –0.67 GPa in the Ti–Al–Mo–Ni–N coating.

About the authors

V. S. Sergevnin

Moscow Institute of Steel and Alloys (National University of Science and Technology), 119049, Moscow, Russia

Email: dm.blv@yandex.ru
Россия, 119049, Москва, Ленинский пр., 4

D. S. Belov

Moscow Institute of Steel and Alloys (National University of Science and Technology), 119049, Moscow, Russia

Email: dm.blv@yandex.ru
Россия, 119049, Москва, Ленинский пр., 4

I. V. Blinkov

Moscow Institute of Steel and Alloys (National University of Science and Technology), 119049, Moscow, Russia

Email: dm.blv@yandex.ru
Россия, 119049, Москва, Ленинский пр., 4

A. P. Demirov

Moscow Institute of Steel and Alloys (National University of Science and Technology), 119049, Moscow, Russia

Email: dm.blv@yandex.ru
Россия, 119049, Москва, Ленинский пр., 4

A. V. Chernogor

Moscow Institute of Steel and Alloys (National University of Science and Technology), 119049, Moscow, Russia

Email: dm.blv@yandex.ru
Россия, 119049, Москва, Ленинский пр., 4

I. V. Shchetinin

Moscow Institute of Steel and Alloys (National University of Science and Technology), 119049, Moscow, Russia

Author for correspondence.
Email: dm.blv@yandex.ru
Россия, 119049, Москва, Ленинский пр., 4

References

  1. Крылова Т.А., Иванов К.В., Чумаков Ю.А., Троценко Р.В. Коррозионная стойкость и износостойкость покрытий, полученных методом вневакуумной электронно-лучевой наплавки тугоплавких карбидов на низкоуглеродистую сталь // Неорган. материалы. 2020. Т. 56. № 3. С. 343–347. https://doi.org/10.31857/S0002337X20030094
  2. Крылова Т.А. Влияние добавок TIC и TIB2 на структуру и свойства композиционных хромсодержащих покрытий // Неорган. материалы. 2022. Т. 58. № 3. С. 271–276. https://doi.org/10.31857/S0002337X22020087
  3. Badisch E., Fontalvo G.A., Stoiber M., Mitterer C. Tribological Behavior of PACVD TiN Coatings in the Temperature Range up to 500°C // Surf. Coat. Technol. 2003. V. 163–164. P. 585–590. https://doi.org/10.1016/S0257-8972(02)00626-6
  4. Hörling A., Hultman L., Odén M., Sjölén J., Karlsson L. Mechanical Properties and Machining Performance of Ti1–x Alx N-coated Cutting Tools // Surf. Coat. Technol. 2005. V. 191. № 2–3. P. 384–392. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2004.04.056
  5. 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
  6. Gassner G., Mayrhofer P.H., Kutschej K., Mitterer C., Kathrein M. Magnéli Phase Formation of PVD Mo–N and W–N Coatings // Surf. Coat. Technol. 2006. V. 201. P. 3335–3341. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2006.07.067
  7. Блинков И.В., Волхонский А.О., Белов Д.С., Блинков В.И., Cкрылёва 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. https://doi.org/10.7868/S0002337X15020037
  8. Akbari A., Templier C., Beaufort M.F., Eyidi D., Riviere J.P. Ion Beam Deposition of TiN-Ni Nanocomposite Coatings // Surf. Coat. Technol. 2011. V. 206. P. 972–975. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2011.03.102
  9. Pogrebnjaka A.D., Abadias G., Bondar O.V., Postolnyia B.O., Lisovenko M.O., Kyrychenko O.V., Andreev A.A., Beresnev V.M., Kolesnikov D.A., Opielak M. Structure and Properties of Multilayer Nanostructured Coatings TiN/MoN Depending on Deposition Conditions // Acta Phys. Pol., A. 2014. № 125. P. 1280–1283. https://doi.org/10.12693/APhysPolA.125.1280
  10. Zhang G., Wang T., Chen H. Microstructure, Mechanical and Tribological Properties of TiN/Mo2N Nano-Multilayer Films Deposited by Magnetron Sputtering // Surf. Coat. Technol. 2015. V. 261. P. 156–160. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2014.11.041
  11. Vereschaka A.A., Grigoriev S.N. Study of Cracking Mechanisms in Multi-layered Composite Nano-Structured Coatings // Wear. 2017. V. 378–379. P. 43–57. https://doi.org/10.1016/j.wear.2017.01.101
  12. Nezu A., Matsuzaka H., Yokoyama R. A Current Perspective of the State-of-the-Art in Stress Analysis // Rigaku J. 2014. V. 30. P. 4–12.
  13. Perry A.J. X-ray Residual Stress Measurement in TiN, ZrN and HfN Films Using the Seemann-Bohlin Method // Thin Solid Films. 1992. V. 214. P. 169–174. https://doi.org/10.1016/0040-6090(92)90766-5
  14. Oliver W.C., Pharr G.M. An Improved Technique for Determining Hardness and Elastic Modulus // J. Mater. Res. 1992. V. 7. P. 1564–1583. https://doi.org/10.1557/JMR.1992.1564
  15. Платонов Г.Л., Аникин В.Н., Аникеев А.И. Изучение роста износостойких слоев из карбида титана на твердых сплавах // Порошковая металлургия. 1980. № 8. С. 48–52
  16. Каменева А.Л. Изучение влияния технологических условий формирования пленок на основе ZrN на их структуру и свойства методом магнетронного распыления // Вестн. МГТУ им. Носова. 2009. № 4. С. 40–46.
  17. РД 50-672-88 Методические указания. Расчеты и испытания на прочность. Классификация видов изломов металлов. М.: Стандартинформ, 2018.
  18. Sanjines R., Wiemer C., Almeida J., Levy F. Valence Band Photoemission Study of the Ti–Mo–N System // Thin Solid Films. 1996. V. 290–291. P. 334–338. https://doi.org/10.1016/S0040-6090(96)09082-7
  19. 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
  20. Dube C.E., Workie B., Kounaves S.P., Robbat A., Aksu M.L., Davies G. Electrodeposition of Metal Alloy and Mixed Oxide Films Using a Single-Precursor Tetranuclear Copper–Nickel Complex // J. Electrochem. Soc. 1995. V. 142 P. 3357–3365. https://doi.org/10.1149/1.2049987
  21. Панькин Н.А. Влияние условий конденсации ионно-плазменного потока на структуру и свойства нитрида титана: Дис. … канд. физ.-мат. наук. Калуга. 2008. 118 с.
  22. Pagon A.M., Doyle E.D., McCulloch D.G. The Microstructure and Mechanical Properties of TiN–Ni Nanocomposite Thin Films // Surf. Coat. Technol. 2013. V. 235. P. 394–400. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2013.07.051
  23. Akbari A., Templier C., Beaufort M.F., Eyidi D., Riviere J.P. Ion Beam Deposition of TiN-Ni Nanocomposite Coatings // Surf. Coat. Technol. 2011. V. 206. P. 972–975. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2011.03.102
  24. Морохов И.Д., Трусов Л.И., Чижик С.П. Ультрадисперсные металлические среды. М.: Атомиздат, 1977. 264 с.
  25. Плешивцев H.B., Бажин А.И. Физика воздействия ионных пучков на материалы. М.: Вузовская книга, 1998. 392 с.

Supplementary files


Copyright (c) 2023 В.С. Сергевнин, Д.С. Белов, И.В. Блинков, А.П. Демиров, А.В. Черногор, И.В. Щетинин