The effect of the substrate potential during deposition on the structure and properties of the binanolayer multiperiod composites (TiAlSi)N/MeN (Me – Zr, Nb, Cr, Mo)

Abstract

It is proposed to use the multiperiod binanolayer composites (TiAlSi)N/MeN (Me-Zr, Nb, Cr, Mo) for controlling the structure, stress state and mechanical properties of a multi-element nitride (TiAlSi)N. The deposition of the layers was carried out by the method of vacuum-arc evaporation at different bias potentials on the substrate Ub = -110 and -200 V. It has been determined that mononitrides with a high Me-N binding energy in the binanolayer composite determine the crystallite growth in thin (nanometer) layers. The growth texture is formed in composites containing mononitrides based on transition metals with a relatively small atomic mass (Cr, Mo) at Ub = -110 V. The growth texture is formed at a larger Ub = -200 V when dealing with mononitride based on heavy metal (Zr). The greatest hardness is achieved in textured materials deposited at Ub = -200 V. This is typical both for a monolayer multi-element nitride (TiAlSi)N (hardness is 42.5 GPa) and for multiperiod nanolayer composites based on it (the highest hardness is 47.9 GPa for a composite (TiAlSi)N/ZrN).

Запропоновано використовувати багатоперіодні бінаношарові композити систем (TiAlSi)N/MeN (Me – Zr, Nb, Cr, Mo) для управління структурою, напруженим станом і механічними властивостями багатоелементного нітриду (TiAlSi)N. Осадження шарів здійснювалося методом вакуумно-дугового випаровування при різних потенціалах зміщення на підкладці Ub = -110 і -200 В. Встановлено, що в бінаношаровому композиті мононітриди з великою енергією зв'язку Me–N задають переважну орієнтацію росту кристалітів у тонких (нанометрових) шарах. При Ub = -110 В текстура зростання формується в композитах, які містять мононітриди на основі перехідних металів з відносно невеликою атомною масою (Cr, Mo). У разі мононітриду на основі важкого металу (Zr) текстура утворюється при більшому Ub = -200 В. Найбільша твердість досягається в текстурованих матеріалах, осаджених при Ub = -200 В. Це характерно, як для моношарового багатоелементного нітриду (TiAlSi)N (досягнута твердість 42,5 ГПа), так і для багатоперіодних наношарових композитів на його основі (найбільша твердість 47,9 ГПа отримана для композиту (TiAlSi)N/ZrN).