Трибологические характеристики и механические свойства многослойных вакуумно-дуговых покрытий TiN/ZrN

Abstract

Методом вакуумно-дугового осаждения синтезированы наноструктурированные многослойные покрытия TiN/ZrN c их числом 134…533 и средней толщиной 20…125 нм. Выявлена хорошая планарность получаемых в нанометровом диапазоне слоев из плазменных потоков в реактивной среде. В качестве модели критических рабочих условий покрытий установлены механизмы фазово-структурных изменений в поверхностных слоях в условиях действия агрессивной кислородной атмосферы при высокой температуре (700 ºC). Показано влияние толщинного параметра многослойной системы на ее твердость. Установлено, что наибольшая твердость (42 ГПа) и наименьший абразивный износ покрытия (1,3∙10⁻⁵ мм³∙Н⁻¹∙мм⁻¹) и контртела (1,9∙10⁻⁶ мм³ ∙Н⁻¹∙мм⁻¹) присущи системе TiN/ZrN с наименьшей толщиной слоев 20 нм в периоде. Полученные результаты объяснены влиянием размерного фактора межфазных границ, многократно усиливающимся в многослойной системе с нанометровой толщиной слоев.

Методом вакуумно-дугового осадження синтезовані наноструктуровані багатошарові покриття TiN/ZrN c числом шарів 134...533 і їх середньою товщиною 20...125 нм. Виявлено хороша планарність, яка одержана у нанометровому діапазоні шарів з плазмових потоків у реактивному середовищі. Як модель критичних робочих умов покриттів встановлені механізми фазово-структурних змін у поверхневих шарах в умовах дії агресивної кисневої атмосфери при високій температурі (700 ºC). Показано вплив товщинного параметра багатошарової системи на її твердість. Встановлено, що найвища твердість (42 ГПа) і найменше абразивне зношування покриття (1,3∙10⁻⁵ мм³∙Н⁻¹∙мм⁻¹) і контртіла (1,9∙10⁻⁶ мм³ ∙Н⁻¹∙мм⁻¹) властиві системі TiN/ZrN з най-меншою товщиною шарів 20 нм у періоді. Отримані результати пояснені впливом розмірного фактора міжфазних границь багаторазово посилюється в багатошаровій системі з нанометровою товщиною шарів.

Nanostructured multilayered coatings TiN/ZrN with 134...533 layers and the average thickness of layers of 20...125 nm have been synthesized by means of vacuum-arc deposition method. Good planarity of the layers obtained in nanometer scale from plasma flows in reaction medium has been revealed. As a model of critical working conditions of the coatings, the mechanisms of structural and phase changes in surface layers at conditions of influence of aggressive oxygen atmosphere at high temperature (700 ºC) have been determined. The influence of thickness parameter of multilayered system on its hardness has been shown. It has been determined, that the highest hardness of 42 GPa and the lowest abrasive wear of the coating 1.3∙10⁻⁵ mm³∙N⁻¹∙mm⁻¹ and the counterbody 1.9∙10⁻⁶ mm³∙N⁻¹∙mm⁻¹ are inherent to the system TiN/ZrN with the minimal thickness of the layers of 20 nm in a period. The obtained results have been explained by the influence of dimensional factor of interphase borders, which is multiply enhanced in multilayered system with the nanometer scale thickness of the coatings.