Preview

Вестник Университета Шакарима. Серия технические науки

Расширенный поиск

ФИЗИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ WN/ZrN КОМПОЗИТНЫХ ПОКРЫТИЙ МЕТОДОМ ВАКУУМНОГО ДУГОВОГО ОСАЖДЕНИЯ

https://doi.org/10.53360/2788-7995-2024-2(14)-56

Аннотация

Из-за возросших требований к инструментам, используемым в экстремальных условиях эксплуатации продления срока службы инструментов, широко используются защитные покрытия. В данной работе исследуются физические закономерности получения покрытий MeN (Me = Zr, Cr, Mo, Nb) многослойных нанокомпозитов на основе WN, а также влияние на микроструктуру, фазовый состав, а также механические и трибологические свойства. Многослойные покрытия WN/MoN являются новой сферой применения, и для производства этих покрытий впервые используется катодно-дуговое физическое осаждение из паровой фазы (CA-PVD). Кроме того, проводятся расчеты из первых принципов для лучшего понимания свойств осажденных мультислоев. Наблюдаются две микроструктуры покрытия с различными типами решетки: (i) гранецентрированная кубическая и (ii) комбинация гексагональной и ГЦК. Среди исследованных систем WN/NbN демонстрирует превосходные свойства, включая самую низкую удельную скорость изнашивания (1,7 × 10-6 мм3/Нм), высокую твердость и заметный индекс пластичности. Отличные трибологические характеристики можно объяснить такими факторами, как низкая шероховатость поверхности, высокая упругая деформация до разрушения, образование трибопленок Nb2O5 и WO3 во время скольжения, пластичное поведение NbN и структура нанокомпозита.

Об авторах

А. Касымбаев
Восточно-Казахстанский технический университет им. Д. Серикбаева
Казахстан

Алексей Касымбаев – докторант 

ResearcherID FCC-1652-2022, Scopus Author ID 57424022400

 070004, Республика Казахстан, г. Усть-Каменогорск, ул. Протозанова 69 



К. Смирнова
Сумской государственный университет
Украина

Катерина Смирнова – докторант, кафедра наноэлектроники и модификации поверхности 

 40007, Украина, г. Сумы ул. Римского-Корсакова 2.



А. Погребняк
Сумской государственный университет
Украина

Александр Дмитриевич Погребняк – доктор физико-математических наук, заведующий кафедрой наноэлектроники и модификации поверхности 

40007, Украина, г. Сумы ул. Римского-Корсакова 2



Список литературы

1. Barshilia H.C. Structure, hardness and thermal stability of nanolayered TiN/CrN multilayer coatings / H.C. Barshilia, A. Jain, K.S. Rajam // Vacuum. – 2003. – Vol. 72, № 3. – P. 241-248.

2. Pogrebnjak A. Nanocomposite Multilayer Binary Nitride Coatings Based on Transition and Refractory Metals: Structure and Properties / A. Pogrebnjak, K. Smyrnova, O. Bondar // Coatings. – 2019. – Vol. 9, № 3. – P. 155.

3. Microstructure, Mechanical and Tribological Properties of Advanced Layered WN/MeN (Me = Zr, Cr, Mo, Nb) Nanocomposite Coatings / K. Smyrnova et al. // Nanomaterials. – 2022. – Vol. 12, № 3. – P. 395.

4. Structural Phase Transformations in Detonation Coatings Based on Ti3SiC2 after Pulse-Plasma Effect / B. Rakhadilov et al. // Crystals (Basel). – 2022. – Vol. 12, № 10. – P. 1388.

5. Structural, mechanical and tribocorrosion behaviour in artificial seawater of CrN/AlN nanomultilayer coatings on F690 steel substrates / F. Ma et al. // Appl Surf Sci. – 2018. – Vol. 428. – P. 404-414.

6. Mechanical and tribological properties of TiN/Ti multilayer coating / Y.H. Cheng et al // Surf Coat Technol. – 2010. – Vol. 205, № 1. – P. 146-151.

7. Microstructures and properties of Zr/CrN multilayer coatings fabricated by multi-arc ion plating / X. Guan et al // Tribol Int. – 2017. – Vol. 106. – P. 78-87.

8. Tribology of multilayer coatings for wear reduction: A review / M. Khadem et al. // Friction. – 2017. – Vol. 5, № 3. – P. 248-262.

9. Toughness enhancement in hard ceramic thin films by alloy design / H. Kindlund et al // APL Mater. – 2013. – Vol. 1, № 4.

10. Investigation of wear dynamics for cutting tools with multilayer composite nanostructured coatings in turning constructional steel / A. Vereschaka et al. // Wear. – 2019. – Vol. 420-421. – P. 17-37.

11. Structures and properties of hard and superhard nanocomposite coatings / A.D. Pogrebnyak et al // Physics-Uspekhi. – 2009. – Vol. 52, № 1. – P. 29-54.

12. Needham P. The source of chemical bonding / P. Needham // Studies in History and Philosophy of Science Part A. – 2014. – Vol. 45. – P. 1-13.

13. Gaffney J.S. Chemical Bonding – The Formation of Materials / J.S. Gaffney, N.A. Marley // General Chemistry for Engineers. – 2018. – P. 75-116.

14. Mechanical properties of boron nitride thin films prepared by atomic layer deposition / M. Weber et al // CrystEngComm. – 2017. – Vol. 19, № 41. – P. 6089-6094.

15. Novel and Facile Route for the Synthesis of Tunable Boron Nitride Nanotubes Combining Atomic Layer Deposition and Annealing Processes for Water Purification / M. Weber et al // Adv Mater Interfaces. – 2018. – Vol. 5, № 16.

16. Stephanos J.J. Chemical Bonding / J.J. Stephanos, A.W. Addison // Electrons, Atoms, and Molecules in Inorganic Chemistry. – 2017. – P. 147-226.

17. Mayrhofer P.H. Self‐Organized Nanostructures in Hard Ceramic Coatings / P.H. Mayrhofer, C. Mitterer, H. Clemens // Adv Eng Mater. – 2005. – Vol. 7, № 12. – P. 1071-1082.

18. Tribological properties and oxidation resistance of tungsten and tungsten nitride films at temperatures up to 500 °C / D. Javdošňák et al // Tribol Int. – 2019. – Vol. 132. – P. 211-220.

19. Influence of process parameters on properties of reactively sputtered tungsten nitride thin films / M.L. Addonizio et al // Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films. – 2012. – Vol. 30, № 3.

20. Microstructure, mechanical and tribological properties of CrN/W2N multilayer films deposited by DC magnetron sputtering / R.L. Li et al // Surf Coat Technol. – 2009. – Vol. 204, № 4. – P. 470-476.

21. Tsai Y.-Z. Thermal stability and microstructure characterization of CrN/WN multilayer coatings fabricated by ion-beam assisted deposition / Y.-Z. Tsai, J.-G. Duh // Surf Coat Technol. – 2005. – Vol. 200, № 5-6. – P. 1683-1689.

22. Tsai Y.-Z. Tribological behavior of CrN/WN multilayer coatings grown by ion-beam assisted deposition / Y.-Z.Tsai, J.-G. Duh // Surf Coat Technol. – 2006. – Vol. 201, № 7. – P. 4266-4272.

23. Wu F.-B. Manufacture, microstructure and mechanical properties of CrWN and CrN/WN nanolayered coatings / F.-B. Wu, S.-K. Tien, J.-G. Duh // Surf Coat Technol. – 2005. – Vol. 200, № 5-6. – P. 1514-1518.

24. Influence of Ar/N2 flow ratio on structure and properties of nanoscale ZrN/WN multilayered coatings / M.X. Wang et al // Surf Coat Technol. – 2007. – Vol. 201, № 9-11. – P. 5472-5476.

25. Characteristics of TiN/W 2 N multilayers prepared using magnetron sputter deposition with dc and pulsed dc powers / C.-L. Chang et al // Surf Coat Technol. – 2016. – Vol. 303. – P. 25-31.

26. Toughness enhancement in TiN/WN superlattice thin films / J. Buchinger et al // Acta Mater. – 2019. – Vol. 172. – P. 18-29.

27. Ye F. The elevated-temperature wear properties of TiN and TiN/W 2 N coatings / F. Ye, H. Zhao, X. Tian // Mater Res Express. – 2018. – Vol. 5, № 10. – P. 106404.

28. Zhao H. Compared the oxidation behavior of TiN and TiN/W2N ceramic coatings during heat treatment / H. Zhao, P. Mi, F. Ye // Mater Chem Phys. – 2018. – Vol. 217. – P. 445-450.

29. Panda R.N. Synthesis of High Surface Area W 2 N and Co–W–N Nitrides by Chemical Routes / R.N. Panda, S.B. Dalavi, J. Theerthagiri // Adsorption Science & Technology. – 2012. – Vol. 30, № 4. – P. 345-354.

30. Polcar T. Structural and tribological characterization of tungsten nitride coatings at elevated temperature / T. Polcar, N.M.G. Parreira, A. Cavaleiro // Wear. – 2008. – Vol. 265, № 3-4. – P. 319-326.

31. Introduction to solar energy and its conversion into electrical energy by using dye-sensitized solar cells / N.H. Rased et al // Energy Materials. – 2021. – P. 139-178.

32. Molybdenum Nitride Films: Crystal Structures, Synthesis, Mechanical, Electrical and Some Other Properties / I. Jauberteau et al // Coatings. – 2015. – Vol. 5, № 4. – P. 656-687.

33. Balasubramanian K. Phase stability and mechanical properties of Mo1- x N x with 0 ≤ x ≤ 1 / K. Balasubramanian, L. Huang, D. Gall // J Appl Phys. – 2017. – Vol. 122, № 19.

34. The Effect of Substrate Treatment on the Properties of TiAlSiYN/CrN Nanocomposite Coatings / A. Pogrebnjak et al // Surfaces and Interfaces. – 2022. – Vol. 30. – P. 101902.

35. Effects of RF magnetron sputtering power on the structure and nanohardness of high-entropy alloys (TiVCrNbSiTaBY)N hard coatings / X. Zhang et al // Ceram Int. – 2023. – Vol. 49, № 20. – P. 33418-33424.

36. Phase composition and mechanical properties of homostructure NbN nanocomposite coatings deposited by modulated pulsed power magnetron sputtering / Y.G. Li et al // Surf Coat Technol. – 2020. – Vol. 385. – P. 125387.

37. Structure and properties of NbN/MoN nano-multilayer coatings deposited by magnetron sputtering / T. Wang et al // J Alloys Compd. – 2017. – Vol. 729. – P. 942-948.

38. Insights into surface modification and erosion of multi-element arc cathodes using a novel multilayer cathode design / M. Golizadeh et al // J Appl Phys. – 2020. – Vol. 127, № 11.

39. Anders A. Unfiltered and Filtered Cathodic Arc Deposition / A. Anders // Handbook of Deposition Technologies for Films and Coatings. – 2010. – P. 466-531.


Рецензия

Для цитирования:


Касымбаев А., Смирнова К., Погребняк А. ФИЗИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ WN/ZrN КОМПОЗИТНЫХ ПОКРЫТИЙ МЕТОДОМ ВАКУУМНОГО ДУГОВОГО ОСАЖДЕНИЯ. Вестник Университета Шакарима. Серия технические науки. 2024;1(2(14)):462-470. https://doi.org/10.53360/2788-7995-2024-2(14)-56

For citation:


Kasymbaev A., Smirnova K., Pogrebnyak A. PHYSICAL PATTERNS OF OBTAINING WN/ZrN COMPOSITE COATINGS BY THE METHOD OF VACUUM ARC DEPOSITION. Bulletin of Shakarim University. Technical Sciences. 2024;1(2(14)):462-470. (In Russ.) https://doi.org/10.53360/2788-7995-2024-2(14)-56

Просмотров: 117


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2788-7995 (Print)
ISSN 3006-0524 (Online)
X