НАНОРАЗМЕРНАЯ АРХИТЕКТУРА НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ (CrN/ZrN)/(Cr/Zr)

Исследованы микроструктура и механические свойства периодически чередующегося многослойного наноструктурированного покрытия, состоящего из чередующихся металлических нитридов (CrN/ZrN) и чистых металлов (Cr/Zr). Была получена специально разработанная многослойная структура, включающая в одном модуляционном периоде 7 металлических и 40 нитридных слоев. Толщина каждого металлического слоя составляла 16 нм, а толщина нитридных слоев – 25 нм. Для объяснения механизма повышения прочности покрытия были проведены расчёты на основе первых принципов, опираясь на полученные экспериментальные данные.

Результаты микроструктурных исследований показали преобладание кубических фаз CrN и ZrN с чётко выраженной ориентацией по направлениям (200) и (111)/(200). Несмотря на наноразмерные размеры нанослоёв и нанокристаллов, на границах между слоями CrN и ZrN наблюдались дислокации и структурные нарушения кристаллических плоскостей.

Исследуемая многослойная структура продемонстрировала высокие механические свойства: максимальную твёрдость 34 ГПа, приведённый модуль упругости 330 ГПа, предел упругой деформации до пластической деформации 0,1, а также сопротивление пластической деформации 0,36.

Указанные высокие характеристики были достигнуты благодаря уникальной многослойной (внутренней многослойной) архитектуре покрытия и его специфическим структурным особенностям.

1. X. Liu, Q. Yang, Z. Li, W. Yuan, Y. Zheng, Z. Cui, X. Yang, K.W.K. Yeung, S. Wu, A combined coating strategy based on atomic layer deposition for enhancement of corrosion resistance of AZ31 magnesium alloy // Appl. Surf. Sci. – 2018. – Vol. 434. – P. 1101–1111. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2017.11.032

2. Q.M. Mehran, M.A. Fazal, A.R. Bushroa, S. Rubaiee, A critical review on physical vapor deposition coatings applied on different engine components, Crit. Rev. Solid State Mater. Sci. 43 (2018) 158e175, https://doi.org/10.1080/10408436.2017.1320648.

3. Holleck H., Schier V. Multilayer PVD coatings for wear protection // Surface and Coatings Technology. – 1995. – Vol.76–77. – P. 328–336.

4. Contreras E., Galindez Y., Rodas M.A., Bejarano G., Gómez M.A. CrVN/TiN Nanoscale Multilayer Coatings Deposited by DC Unbalanced Magnetron Sputtering // Surface and Coatings Technology. – 2017. – Vol. 332. – P. 214–222.

5. F. Vaz, J. Ferreira, E. Ribeiro, L. Rebouta, S. Lanceros-Mendez, J.A. Mendes, E. Alves, P. Goudeau, J.P. Riviere, F. Ribeiro, I. Moutinho, K. Pischow, J. de Rijk, Influence of nitrogen content on the structural, mechanical and electrical properties of TiN thin films // Surf. Coating. Technol. – 2005. – Vol. 191. – P. 317–323. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2004.01.033

6. A.D. Pogrebnjak, V.I. Ivashchenko, P.L. Skrynskyy, O.V. Bondar, P. Konarski, K. Załe˛ski, S. Jurga, E. Coy, Experimental and theoretical studies of the physicochemical andmechanical properties of multi-layered TiN/SiC films: temperature effects on the nanocomposite structure // Compos. B Eng. – 2018. – Vol. 142. – P. 85–94. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2018.01.004

7. S.C. Vettivel, R. Jegan, J. Vignesh, S. Suresh, Surface characteristics and wear depth profile of the TiN, TiAlN and AlCrN coated stainless steel in dry sliding wear condition // Surfaces and Interfaces. – 2017. – Vol. 6. – P. 1–10, https://doi.org/10.1016/j.surfin.2016.10.008

8. S. Yip, The strongest size // Nature. – 1998. – Vol. 391. – P. 532–533. https://doi.org/10.1038/35254

9. J. Musil, Hard nanocomposite coatings: thermal stability, oxidation resistance and toughness // Surf. Coating. Technol. – 2012. – Vol. 207. – P. 50–65, https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2012.05.073.

10. A.A. Bagdasaryan, A.V. Pshyk, L.E. Coy, P. Konarski, M. Misnik, V.I. Ivashchenko, M. Kempinski, N.R. Mediukh, A.D. Pogrebnjak, V.M. Beresnev, S. Jurga, A new type of (TiZrNbTaHf)N/Mon nanocomposite coating: microstructure and properties depending on energy of incident ions // Compos. B Eng. – 2018. – Vol. 146. – Art. 132e144. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2018.04.015

11. S. Labdi, P. Houdy, P. Psyllaki, M. Jeandin, Elaboration and characterization of Ti and TiN thin films and multilayers for hard coating applications // Thin Solid Films. – 1996. – Vol. 275. – P. 213–215. https://doi.org/10.1016/00406090(95)07046-X

12. Lousa, J. Romero, E. Martınez, J. Esteve, F. Montalà, L. Carreras, ́ Multilayered chromium/chromium nitride coatings for use in pressure diecasting // Surf. Coatings Technol. – 2001. – Vol. 146–147. – P. 268–273. https://doi.org/10.1016/S0257-8972(01)01476-1

13. D.J. Li, F. Liu, M.X. Wang, J.J. Zhang, Q.X. Liu, Structural and mechanical properties of multilayered gradient CrN/ZrN coatings // Thin Solid Films. – 2006. – Vol. 506–507. – P. 202–206. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2005.08.031

14. Z.G. Zhang, O. Rapaud, N. Allain, D. Mercs, M. Baraket, C. Dong, C. Coddet, Microstructures and tribological properties of CrN/ZrN nanoscale multilayer coatings // Appl. Surf. Sci. – 2009. – Vol. 255. – P. 4020–4026. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2008.10.075

15. Maksakova O.V., Webster R.F., Tilley R.D., Ivashchenko V.I., Postolnyi B.O., Bondar O.V., Takeda Y., Rogoz V.M., Sakenova R.E., Zukowski P.V., Opielak M., Beresnev V.M., Pogrebnjak A.D. Nanoscale Architecture of (CrN/ZrN)/(Cr/Zr) Nanocomposite Coatings: Microstructure, Composition, Mechanical Properties and First-Principles Calculations // Journal of Alloys and Compounds. – 2020. – Vol. 831. – P. 154808-1-154808-15

16. Bondar O.V., Pogrebnjak A., Takeda Yo., Postolnyi B., Zukowski P., Sakenova R.E., Postolnyi B. Structure and Properties of Combined Multilayer Coatings Based on Alternative Triple Nitride and Binary Metallic Layers // NAP2018, 2018 IEEE 8th Int. Conf. “Nanomaterials Applications and Propperties, Zatoka, Ukraine. – 2018. – Vol. 3. – P. 03TFNMC73-1- 03TFNMC73-5.