КРАТКИЙ ОБЗОР СПОСОБОВ ПОЛУЧЕНИЯ ПОКРЫТИЙ TiSiCN И МЕТОДА РЕАКТИВНО-ПЛАЗМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ

Современное материаловедение ставит перед собой задачу разработки новых материалов с многофункциональными покрытиями. Материалы с такими покрытиями имеют широкое применение в различных областях техники: в строительстве и энергетике, в микроэлектронике, в авиации и других. Основной причиной возникновения и развития технологии нанесения многофункциональных защитных покрытий является стремление повысить долговечность деталей и узлов различных механизмов машин. Износостойкие твердые покрытия на основе нитридов переходных металлов и карбонитридов широко используются для увеличения срока службы штампов для ковки и экструзии, а также высокоскоростных обрабатывающих инструментов. За последние два десятилетия широкое распространение этих покрытий стимулировало и поддерживало разработку новых процессов и материалов в попытке дальнейшего улучшения их свойств. Среди этих покрытий более высокая твердость, отличная стойкость к окислению и высокая термическая стабильность покрытий, таких как TiSiN и TiSiCN, делают их наиболее перспективными кандидатами для трибологических приложений с высокими требованиями. Кроме того, покрытие TiSiCN является перспективным материалом, используемым в морской среде, благодаря его превосходной противоизносной и коррозионной стойкости, а также высокой твердости и низкому коэффициенту трения. Такие сочетания свойств делают покрытия TiSiCN потенциальными кандидатами на получение защитного слоя в автомобильной и нефтяной промышленности.

В статье кратко рассмотрены возможности получения покрытий TiSiCN разными методами осаждения для управления свойствами получаемых пленок и особенности метода реактивно-плазменного напыления. В работе описываются самые распространенные способы и технологии получения карбонитридных покрытий, используемые в настоящее время. Рассматриваются последние разработки и актуальные тенденции в области технологий плазменного напыления покрытия, при этом учитывается важные новации для промышленных покрытий. На них базируются новые выводы, которые были получены в результате фундаментальных и прикладных исследований физики или химии. В статье проведен сравнительный обзор характеристик получения износостойких покрытий TiSiCN и особенности применения реактивно-плазменного напыления для получения износостойких покрытий. На основании анализа литературы можно утверждать, что дальнейшее развитие технологии реактивной плазмы связано с разработкой нового ресурсосберегающего способа формирования композиционных покрытий с повышенными коррозионными и трибологическими характеристиками, что соответствует тенденциям развития мировой науки.

1. Dong Yanchun, Yan Dianran, He Jining, Zhang Jianxin, Xiao Lisong, and Li Xiangzhi. Studies on Nanocrystalline TiN Coatings Prepared by Reactive Plasma Spraying. Nanomechanics and Nanostructured Multifunctional Materials: Experiments, Theories, and Simulations. – Vol. 2008, – Article ID 690951. https://doi.org/10.1155/2008/690951

2. Y. Cheng, T. Browne, B. Heckerman, E. Meletis, Mechanical and tribological properties of nanocomposite TiSiN coatings, Surf. Coat. Technol. 204 (2010) 2123– 2129.

3. D. Ma, S. Ma, K. Xu, Influence of Si content on Nanostructured Ti–Si–N films coated by pulsed-dc plasma enhanced CVD, Surf. Coat. Technol. 184 (2004) 182–187.

4. F. Movassagh-Alanagh, A. Abdollah-zadeh, M. Aliofkhazraei, M. Abedi, Improving the wear and corrosion resistance of Ti–6Al–4V alloy by deposition of TiSiN nanocomposite coating with pulsed-DC PACVD, Wear 390 (2017) 93–103.

5. S. Abraham, E.Y. Choi, N. Kang, K.H. Kim, Microstructure and mechanical properties of Ti-Si-CN films synthesized by plasma-enhanced chemical vapor deposition, Surf. Coat. Technol. 202 (2007) 915–919.

6. I. Endler, M. Höhn, J. Schmidt, S. Scholz, M. Herrmann, M. Knaut, Ternary and quarternary TiSiN and TiSiCN nanocomposite coatings obtained by chemical vapor deposition, Surf. Coat. Technol. 215 (2013) 133–140.

7. Y. Guo, S. Ma, K. Xu, T. Bell, X. Li, H. Dong, Transmission electron microscopy microstructural characterization of Ti–Si–C–N coatings, J. Mater. Res. 23 (2011) 198–203. https://doi.org/10.1557/jmr.2008.0019

8. S.L. Ma, D.Y. Ma, Y. Guo, B. Xu, G.Z. Wu, K.W. Xu, P.K. Chu, Synthesis and characterization of super hard, self-lubricating Ti–Si–C–N nanocomposite coatings, Acta Mater. 55 (2007) 6350–6355. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2007.07.046

9. Y. Wang, J. Li, C. Dang, Y. Wang, Y. Zhu, Influence of carbon contents on the structure and tribocorrosion properties of TiSiCN coatings on Ti6Al4V, Tribol. Int. 109 (2017) 285–296. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2017.01.002

10. Y. Wang, J. Li, C. Dang, Y. Wang, Y. Zhu, Influence of bias voltage on structure and tribocorrosion properties of TiSiCN coating in artificial seawater, Mater. Char. 127 (2017) 198–208. https://doi.org/10.1016/j.matchar.2017.03.012

11. J. Li, Y. Wang, Y. Yao, Y. Wang, L. Wang, Structure and tribological properties of TiSiCN coating on Ti6Al4V by arc ion plating, Thin Solid Films 644 (2017) 115–119. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2017.09.053

12. Yang, Sheng-Ming, Chang, Yin-Yu, Wang, Da-Yung, Lin, Dong-Yi and Wu, WeiTe. (2007). Journal of Alloys and Compounds, 440, 375–379

13. L. Johnson, L. Rogstro ̈m, M. Johansson, M. Od ́en, L. Hultman, Microstructure evolution and age hardening in (Ti, Si)(C, N) thin films deposited by cathodic arc evaporation, Thin Solid Films 519 (2010) 1397–1403. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2010.08.150

14. Matlab N Mirzayev, Anca C Parau, Lyubomir Slavov, Mihaela Dinu, Dimitar Neov, Zdravka Slavkova, Evgeni P. Popov, Maria Belova, Kanan Hasanov, Fuad A. Aliyev, Alina Vladescu Dragomir. TiSiCN as Coatings Resistant to Corrosion and Neutron Activation. Materials (Basel). 2023 Feb 23;16(5):1835. https://doi.org/10.3390/ma16051835

15. Mohammad Abedi, Amir Abdollah-zadeh, Antonello Vicenzo, Massimiliano Bestetti, Farid MovassaghAlanagh, Elyad Damerchi1Wei Li. A comparative study of the mechanical and tribological properties of PECVD single layer and compositionally graded TiSiCN coatings. Ceramics International Volume 45, Issue 17, Part A, 1 December 2019, P. 21200–21207.

16. Li, W., Liu, P., Xue, Z. et al. Microstructures, mechanical behavior and strengthening mechanism of TiSiCN nanocomposite films. Sci. Rep. 7, 2140 (2017). https://doi.org/10.1038/s41598-017-02186-1

17. I. Endler, M. Hóhn, J. Schmidt, S. Scholz, M. Herrmann, M. Knaut, Ternary and quarternary TiSiN and TiSiCN nanocomposite coatings obtained by chemical vapor deposition, Surf. Coat. Technol. 215 (2013) 133–140. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2012.10.067

18. S. Abraham, E.Y. Choi, N. Kang, K.H. Kim, Microstructure and mechanical properties of Ti-Si-CN films synthesized by plasma-enhanced chemical vapor deposition, Surf. Coat. Technol. 202 (2007) 915–919. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2007.05.073

19. H. Xu, X. Nie, R. Wei, Tribological behavior of a TiSiCN coating tested in air and coolant, Surf. Coat. Technol. 201 (2006) 4236–4241. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2006.08.066

20. D. Yanchun, Y. Dianran, H. Jining, Z. Jianxin, X. Lisong, L. Xiangzhi, Studies on nanocrystalline TiN coatings prepared by Reactive Plasma Spraying, J. Nanomater. (2008) Article ID 690951. https://doi.org/10.1155/2008/690951

21. Feng W, Yan D, He J et al. Microhardness and toughness of the TiN coating prepared by reactive plasma spraying. Appl Surf Sci, 2005, 243(1–4):204–213.

22. H. Xu, X. Nie, R. Wei, Tribological behavior of a TiSiCN coating tested in air and coolant. Surface and Coatings Technologyю Volume 201, Issue 7, 20 December 2006, P. 4236–4241.

23. S.L. Ma, D.Y. Ma, Y. Guo, B. Xu, G.Z. Wu, K.W. Xu, P.K. Chu, Synthesis and char- acterization of super hard, self-lubricating Ti–Si–C–N nanocomposite coatings, Acta Mater. 55 (2007) 6350–6355. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2007.07.046

24. L. Johnson, L. Rogström, M. Johansson, M. Odén, L. Hultman, Microstructure evolution and age hardening in (Ti, Si)(C, N) thin films deposited by cathodic arc evaporation, Thin Solid Films 519 (2010) 1397–1403. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2010.08.150

25. E. Thangavel, S. Lee, K.-S. Nam, J.-K. Kim, D.-G. Kim, Synthesis and characterization of Ti–Si–C–N nanocomposite coatings prepared by a filtered vacuum arc method, Appl. Surf. Sci. 265 (2013) 60–65. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2012.10.107

26. I. Endler, M. Hóhn, J. Schmidt, S. Scholz, M. Herrmann, M. Knaut, Ternary and quarternary TiSiN and TiSiCN nanocomposite coatings obtained by chemical vapor deposition, Surf. Coat. Technol. 215 (2013) 133–140, https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2012.10.067

27. Y. Tanno, A. Azushima, Effect of counter materials on coefficients of friction of TiN coatings with preferred grain orientations, Wear 266 (2009) 1178–1184.

28. R.A. Rosu, V.A. Serban, A.I. Bucur, et al., Deposition of titanium nitride and hydroxyapatite-based biocompatible composite by reactive plasma spraying, Appl. Surf. Sci. 258 (8) (2012) 3871–3876.

29. Y.F. Qin, L.Y. Zhu, J.N. He, et al., Microstructure and tribological properties of TiCN-Al2O3 composite coatings fabricated by reactive plasma spraying, Vacuum 147 (2018) 149–157.

30. P.V. Ananthapadmanabhan, P.R. Taylor, Titanium carbide–iron composite coatings by reactive plasma spraying of ilmenite, J. Alloy Compd. 287 (1999) 121– 125.

31. D. Yanchun, Y. Dianran, H. Jining, Z. Jianxin, X. Lisong, L. Xiangzhi, Studies on nanocrystalline TiN coatings prepared by Reactive Plasma Spraying, J. Nanomater. (2008) Article ID 690951. https://doi.org/10.1155/2008/690951

32. Feng W, Yan D, He J et al. Microhardness and toughness of the TiN coating prepared by reactive plasma spraying. Appl Surf Sci, 2005, 243(1–4):204–213.

33. Liu Z, Yan D, Dong Y et al. The effect of modified epoxy sealing on the electrochemical corrosion behavior of reactive plasma-sprayed TiN coatings. Corros Sci, 2013, 75(7):220–227.

34. C. Li, F. Zhang, J. He and F. Yin, Preparation and Properties of Reactive Plasma Sprayed TiC-Ti5Si3Ti3SiC2/Al Coatings from Ti-Si-C-Al Mixed Powders, Mater. Chem. Phys., 2021, 269, P. 124772.

35. F. Zhang, J. He, K. Chen, et al., Microstructure evolution and mechanical properties of TiCN-Cr nano/micro composite coatings prepared by reactive plasma spraying, Appl. Surf. Sci. 427 (2018) 905–914.

36. F. Zhang, C. Li, S. Yan, et al., Microstructure and tribological properties of plasma sprayed TiCN-Mo based composite coatings, Appl. Surf. Sci. 464 (2019) 88–98.

37. Y.F. Qin, L.Y. Zhu, J.N. He, et al., Microstructure and tribological properties of TiCN-Al2O3 composite coatings fabricated by reactive plasma spraying, Vacuum 147 (2018) 149–157.

38. Plasma-sprayed Ti-6Al-4V coatings in a reactive nitrogen atmosphere up to 250 kPa V. Guipont, R. Molins, M. Jeandin, F. Evry, G. Barbezat, Ch. Wholen.

39. Dong Yanchun, Yan Dianran, He Jining, Zhang Jianxin, Xiao Lisong, and Li Xiangzh. Studies on Nanocrystalline TiN Coatings Prepared by Reactive Plasma Spraying. January 2008 Journal of Nanomaterials 2008(1). https://doi.org/10.1155/2008/690951

40. P. Mi, J. He, Yu. Qin, et al., Nanostructured Reactive Plasma Spraying of TiCN Coatings, Surf. Coat. Technol. 309 (2017) 1–5.

41. L. Xiao, D. Yang, J. He et al., Nanostructured TiN Coating Produced by Atmospheric Reactive Plasma Spraying, Appl. Surf. scientific 253 (18) (2007) 7535– 7539.

42. C. Li, F. Zhang, J. He, F. Yin, Preparation and properties of reactive plasma spraying of TiC-Ti5Si3-Ti3SiC2/Al coatings from mixed Ti-Si-C-Al powders, Material. chem. Phys., 2021, 269, P. 124772.

43. Zhang F, He J, Chen K, et al., Microstructure Evolution and Mechanical Properties of Reactive Plasma Sprayed TiCN-Cr Nano/Microcomposite Coatings, Appl. Surf. scientific 427 (2018) 905–914.

44. L. Xiao, D. Yan, J. He, et al., Nanostructured TiN coating prepared by reactive plasma spraying in atmosphere, Appl. Surf. Sci. 253 (18) (2007) 7535–7539.

45. J. Liu, C. Liang, The improvement of toughness and tribological properties of nio- bium nitride film by addition of copper, Vacuum 143 (2017) 59–62.

46. K. Ma, X. Cao, X. Xue, Mechanical properties, microstructure and grain orientation of hot pressed WB2 ceramics with Co as a sintering additive, Ceram. Int. 45 (12) (2019) 14718–14727.

47. Rakhadilov B.K., Buitkenov D.B., Sagdoldina Zh., Seitov B., Kurbanbekov Sh., Adilkanova M. Structural features and tribological properties of detonation gun sprayed Ti– Si–C coating. Coatings, 2021, 11(2), 1–13, 141.

48. Rakhadilov B.K., Buitkenov D.B., Adilkhanova M., Sagdoldina Zh.B., Kurbanbekov Sh. K. Influence of pulse plasma treatment on the phase composition and microhardness of detonation coatings based on Ti-Si-C // Bulletin of Karaganda University. – 2021. – No. 2 (102).