Структура и свойства композитных TiN–Pb-покрытий, напыленных на сплав вт6 магнетронным распылением постоянного тока

Методом реакционного магнетронного распыления постоянного тока двух раздельных моноэлементных мишеней Ti и Pb напыляли композитное покрытие состава TiN–Pb на подложку из титанового сплава ВТ6. Исследования проводили при токах на Pb-катоде 0,2 и 0,1 А и двух фиксированных значениях расхода аргона: 6,0 либо 8,5 см3/мин, меняя от опыта к опыту расход подаваемого в камеру азота. Состав покрытий определяли энергодисперсионным анализом. Показано, что количество свинца в покрытиях составляло от 0,5 до 16 мас.% в зависимости от тока на Pb-катоде и расхода реактивного азота. Для каждого режима напыления оценивали микротвердость и износ покрытий. Установлено, что в зависимости от отношения потоков аргона и азота толщина покрытий менялась от 1,9 до 5,2 мкм. Рентгеноструктурным методом исследовали влияние параметров нанесения магнетронных TiN–Pb-покрытий на их структуру и фазовый состав. Выявлено, что при значениях тока на Pb-катоде, равном 0,2 А, покрытие состоит из Pb и PbO, а при токе 0,1 А – из TiN, Pb и PbO. При этом увеличение отношения потоков аргона и азота приводит к росту доли TiN, повышению интенсивности насыщения поверхности титановой подложки азотом, а также увеличению микротвердости и износостойкости. При всех условиях напыления TiN-покрытие характеризуется типичной текстурой (111), интенсивность которой меняется немонотонно.

1. Ananth M. Prem, Ramesh R. Sliding wear characteristics of solid lubricant coating on titanium alloy surface modified by laser texturing and ternary hard coatings. Trans. Nonferr. Met. Soc. China. 2017. Vol. 27. Iss. 4. P. 839—847.

2. Ceschini L., Lanzoni E., Martini C., Prandstraller D., Sambogna G. Comparison of dry sliding friction and wear of Ti6Al4V alloy treated by plasma electrolytic oxidation and PVD coating. Wear. 2008. Vol. 264. Iss. 1-2. P. 86—95.

3. Du D., Liu D., Zhang X., Tang J. Fretting fatigue behaviors and surface integrity of Ag—TiN soft solid lubricating films on titanium alloy. Appl. Surf. Sci. 2019. Vol. 488. P. 269—276.

4. Basseville S., Cailletaud G. An evaluation of the competition between wear and crack initiation in fretting conditions for Ti—6Al—4V alloy. Wear. 2015. Vol. 328-329. P. 443—455.

5. Amanov A., Cho I., Kim D., Pyun Y. Fretting wear and friction reduction of CP titanium and Ti—6Al—4V alloy by ultrasonic nanocrystalline surface modification. Surf. Coat. Technol. 2012. Vol. 8. P. 135—142.

6. Zhou Z.-Y., Liu X.-B., Zhuang S.-G., Yang X.-H., Wang M., Sun C.-F. Preparation and high temperature tribological properties of laser in-situ synthesized self-lubricating composite coatings containing metal sulfides on Ti6Al4V alloy. Appl. Surf. Sci. 2019. Vol. 481. P. 209—218.

7. Kowalski S., Cygnar M. The application of TiSiN/TiAlN coatings in the mitigation of fretting wear in push fit joints. Wear. 2019. Vol. 426—427. Pt. A. P. 725—734.

8. Muratore C., Voevodin A.A. Chameleon coatings: Adaptive surfaces to reduce friction and wear in extreme environments. Ann. Rev. Mater. Res. 2009. Vol. 39. P. 297—324.

9. Lia Z.G., Miyake S., Kumagai M., Saito H., Muramatsu Y. Hard nanocomposite Ti—Cu—N films prepared by d.c. reactive magnetron co-sputtering. Surf. Coat. Technol. 2004. Vol. 183. P. 62—68.

10. Wei C.B., Tian X.B., Yang Y., Yang S.Q., Fu R.K.Y., Chu P.K. Microstructure and tribological properties of Cu—Zn/TiN multilayers fabricated by dual magnetron sputtering. Surf. Coat. Technol. 2007. Vol. 202. No. 1. P. 189—193.

11. Ren S., Li H., Cui M., Wang L., Pu J. Functional regulation of Pb—Ti/MoS2 composite coatings for environmentally adaptive solid lubrication. Appl. Surf. Sci. 2017. Vol. 401. P. 362—372.

12. Qasim A.M., Ali F., Wu H., Fu R.K.Y., Xiao S., Li Y., Wu Z., Chu P.K. Effects of ion flux density and energy on the composition of TiNx thin films prepared by magnetron sputtering with an anode layer ion source. Surf. Coat. Technol. 2019. Vol. 365. P. 58—64.

13. Tian L., Zhu X., Tang B., Pan J., He J. Microstructure and mechanical properties of Cr—N coatings by ion-beamassisted magnetron sputtering. Mater. Sci. Eng. A. 2008. Vol. 483—484. P. 751—754.

14. Yokota K., Tamura S., Nakamura K., Horiguchi M., Nakaiwa H., Sugimoto T., Akamatsu K., Nakao K. Dependence of film thickness on nitrogen ion energy and substrate temperature for titanium nitride films on stainless steel using an ion beam assisted deposition technique. Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B. 2000. Vol. 166-167. P. 82—86.

15. Škorić B., Kakaš D., Bibic N., Rakita M. Microstructural studies of TiN coatings prepared by PVD and IBAD. Surf. Sci. 2004. Vol. 566-568. P. 40—44.

16. Vera E., Wolf G.K. Optimisation of TiN—IBAD coatings for wear reduction and corrosion protection. Nucl. Inst. Meth. Phys. Res. B. 1999. Vol. 148. No. 1-4. P. 917—924.

17. Sawase T., Yoshida K., Taira Y., Kamada K., Atsuta M., Baba K. Abrasion resistance of titanium nitride coatings formed on titanium by ion-beam-assisted deposition. J. Oral Rehabil. 2005. Vol. 32. Iss. 2. P. 151—157.

18. Oua Y.X., Wang H.Q., Liao B., M.K. Lei M.K., Ouyang X.P. Tribological behaviors in air and seawater of CrN/TiN superlattice coatings irradiated by high-intensity pulsed ion beam. Ceram. Inter. 2019. Vol. 45. P. 24405—24412.

19. Liang H. Thickness dependent microstructural and electrical properties of TiN thin films prepared by DC reactive magnetron sputtering. Ceram. Inter. 2016. Vol. 42. P. 2641—2647.

20. Abdelrahman M.M. Study of plasma and ion beam sputtering processes. J. Phys. Sci. Appl. 2015. Vol. 5. Iss. 2. P. 128—142.

21. Betsofen S.Ya., Petrov L.M., Lozovan A.A., Lenkovets A.S., Grushin I.A., Lebedev M.A. Effect of bias voltage on texture formation in TiN, ZrN, Ta, Nb and W coatings. J. Phys.: Conf. Ser. 2020. Vol. 1713. No. 1. P. 012010.

22. Бецофен C.Я., Плихунов В.В., Петров Л.М., Банных И.О. Исследование фазового состава и структуры многокомпонентных вакуумных ионно-плазменных покрытий (Ti,Nb,Me)N и (Zr,Nb)N(C) в зависимости от их химического состава и параметров технологии. Авиационная пром-сть. 2007. No. 4. C. 9—15.

23. Arshi N., Lu J., Joo Y.K., Lee C.G., Yoon J.H., Ahmed F. Study on structural, morphological and electrical properties of sputtered titanium nitride films under different argon gas flow. Mater. Chem. Phys. 2012. Vol. 134. Iss. 2-3. P. 839—844.

24. Zhang S., Yan F., Yang Y., Yan M., Zhang Y., Guo J., Li H. Effects of sputtering gas on microstructure and tribological properties of titanium nitride films. Appl. Surf. Sci. 2019. Vol. 488. P. 61—69.

25. Ильин А.А., Бецофен С.Я., Скворцова С.В., Петров Л.М., Банных И.О. Структурные аспекты ионного азотирования титановых сплавов. Металлы. 2002. No. 3. С. 6—15.

26. Petrov I., Hultman L., Sundgren J.E., Greene J.E. Polycrystalline TiN films deposited by reactive bias magnetron sputtering: Effects of ion bombardment on resputtering rates, film composition, and microstructure. J. Vacuum Sci. Technol. A. 1992. Vol. 10. P. 265—272.

27. Somekh R.E. The thermalization of energetic atoms during the sputtering process. J. Vacuum Sci. Technol. A. 1984. Vol. 2. P. 1285—1291.

28. Бецофен C.Я., Ашмарин А.А., Петров Л.М., Грушин И.А., Лебедев М.А. Влияние параметров ионно-плазмен- ного процесса на текстуру и свойства TiN и ZrN покрытий. Деформация и разрушение материалов. 2021. No. 4. С. 2—9.

29. Saerens A., Van Houtte P., Meert B., Quaeyhaegens C. Assesment of different X-ray stress measuring techniques for thin titanium nitride coatings. J. Appl. Cryst. 2000. Vol. 33. P. 312—322.