Structural Engineering and Mechanical Properties of (Ti-V-Zr-Nb-Hf-Ta)N Coatings Obtained at Different Pressures

Abstract

Effect of pressure of the reaction gas on the texture, structural stress state and mechanical properties (hardness and resistance to abrasive wear) in vacuum-arc coatings based on Ti-V-Zr-Nb-Hf-Ta nitrides of high entropy alloys were investigated in this work. At a bias potential of – 200V, an increase in nitrogen pressure during deposition from 2.5·10⁻⁴ to 4.5·10⁻³ Torr leads to an increase in the content of nitrogen atoms in the coating, and the formation of a bittexture state [111] + [311] is established. The formation of a biaxial texture occurs due to the presence in alloys of atoms with very different masses (Ti, V and Hf, Ta). The use of a multi-element composition in a single-phase state with a simple cubic lattice allows to achieve high values of microstrain (up to 1.4 %) with a low deposition pressure. It is determined that the increase of nitrogen pressure during deposition leads to an increase in macrostresses. The highest hardness of 53 GPa is achieved in coatings obtained at a pressure of 2·10⁻³ Torr. It has been established that coatings with high resistance to abrasive wear are found to be: crystallite grain size 12-25 nm, absent of texture (or a low level of texture perfection), and also rather high microstrain in crystallites.

В роботі досліджено вплив тиску реакційного газу на текстуру, структурно-напружений стан і механічні властивості (твердість і стійкість до абразивного зносу) в вакуумно-дугових покриттях на основі нітридів Ti-V-Zr-Nb-Hf-Та високоентропійних сплавів. Встановлено, що при потенціалі зсуву – 200 В збільшення тиску азоту при осадженні від 2.5·10⁻⁴ до 4.5·10⁻³ Торр призводить до підвищення вмісту атомів азоту в покритті, а також формуванню бітекстурного стану: [111] + [311]. Формування біаксіальної текстури відбувається через наявність в сплавах атомів з масами, що сильно відрізняються (Ti, V та Hf, Ta). Використання багатоелементного складу при однофазному стані з простою кубічною решіткою дозволяє досягати високих значень мікродеформації (до 1.4 %) при низькому тиску осадження. Встановлено, що зі збільшенням тиску азоту при осадженні призводить до збільшення макродеформації. Найбільша твердість становить 53 ГПа і досягається в покриттях, отриманих при тиску 2·10⁻³ Toрр. Визначено, що високу стійкість до абразивного зносу мають покриття у яких: розмір зерен-кристалітів 12-25 нм, немає (або низький рівень досконалості) текстури, а також досить висока мікродеформація в кристалітах.