ИССЛЕДОВАНИЕ ТОНКИХ ПОКРЫТИЙ В СИСТЕМЕ Si–B–C–N, ПОЛУЧЕННЫХ С ПОМОЩЬЮ МАГНЕТРОННОГО РАСПЫЛЕНИЯ МИШЕНЕЙ SiBC

Методом магнетронного распыления спеченных мишеней Si–B–C получены аморфные тонкопленочные покрытия Si–B–С–(N). Структура покрытий исследована с применением рентгенофазового анализа, растровой и просвечивающей электронной микроскопии, сканирующей зондовой микроскопии, оптической эмиссионной спектроскопии тлеющего разряда и спектроскопии комбинационного рассеяния света. Механические и трибологические свойства покрытий определены с помощью методов наноиндентирования, скратч-тестирования и трибологических испытаний. Исследована жаростойкость покрытий в диапазоне температур 1200–1600 °С. Установлено, что покрытия оптимального состава обладают твердостью 20 ГПа, модулем упругости 210 ГПа, упругим восстановлением 53 %, коэффициентом трения 0,6 в паре с твердосплавным шариком, а также жаростойкостью выше 1200 °С, что обусловлено формированием на их поверхности защитной пленки на основе SiO2. Покрытия, осажденные из мишени состава Si70B25C5 в среде Ar+15%N2, помимо высокой жаростойкости при t = 1200 °С и выдержке в течение 12 ч показали стойкость к кратковременным тепловым нагрузкам при температурах 1400, 1500 и 1600 °С.

1. Riedel R., Kienzle A., Dressler W. et al. A silicoboron carbonitride ceramic stable to 2000 °C // Nature. 1996. Vol. 382. P. 796—798.

2. Feng Z., Guo Z., Biao L. et al. Preparation and Thermal Cycling Resistance of SiBCN(O) Coatings // Key Eng. Mater. 2014. Vol. 602-603. P. 393—396.

3. Ge K., Ye L., Han W. et al. Si(B)CN-doped carbon nanofibers with excellent oxidation resistance // Mater. Lett. 2013. Vol. 112. P. 124—128.

4. Hegemann D., Riedel R., Oehr C. PACVD-Derived thin films in the system Si—B—C—N // Chem. Vap. Deposition. 1999. Vol. 5. P. 61—65.

5. Abu Samra H., Kumar A., Xia J. et al. Development of a new generation of amorphous hard coatings based on the Si—B—C—N—O system for applications in extreme conditions // Surf. Coat. Technol. 2013. Vol. 223. P. 52—67.

6. Wilden J., Wank A., Bykava A. DC thermal plasma CVD synthesis of coatings from liquid single source SiBCN and SiCNTi precursors // Surf. Coat. Technol. 2005. Vol. 200. P. 612—615.

7. Veprek S., Karvankova P., Veprek-Heijman M.G.J. Possible role of oxygen impurities in degradation of nc-TiN/ a-Si3N4 nanocomposites // J. Vac. Sci. Technol. B. 2005. Vol. 23, № 6. P. 17—21.

8. He J., Zhang M., Jiang J. et al. Microstructure characterization of high-temperature, oxidation-resistant Si—B—C—N films // Thin Solid Films. 2013. Vol. 542. P. 167—173.

9. Čapek J., Hřeben S., Zeman P. et al. Effect of the gas mixture composition on high-temperature behavior of magnetron sputtered Si—B—C—N coatings // Surf. Coat. Technol. 2008. Vol. 203. P. 466—469.

10. Vishnyakov V.M., Ehiasarian A.P., Vishnyakov V.V. et al. Amorphous Boron containing silicon carbo-nitrides created by ion sputtering // Surf. Coat. Technol. 2011. Vol. 206. P. 149—154.

11. Choi J., Hayashi N., Kato T. et al. Mechanical properties and thermal stability of SiBCN films prepared by ion beam assisted sputter deposition // Diamond Relat. Mater. 2013. Vol. 34. P. 95—99.

12. Morant C., Prieto P., Hernandez M.J. et al. Factor analysis of AES sputter depth profiles of B, C and N sequentially implanted in silicon // Surf. Interface Anal. 2004. Vol. 36. P. 849—852.

13. Kiryukhantsev-Korneev F.V. Possibilities of Glow Discharge Optical Emission Spectroscopy in the Investigation of Coatings // Russ. J. Non-Ferr. Met. 2014. Vol. 55, № 5. P. 494—504.

14. Levashov E.A., Shtansky D.V., Kiryukhantsev-Korneev Ph.V. et al. Multifunctional Nanostructured Coatings: Formation, Structure, and the Uniformity of Measuring Their Mechanical and Tribological Properties // Russ. Metall. 2010. Vol. 10. P. 917—935.

15. Musil J., Zeman P., Baroch P. Hard Nanocomposite Coatings // Compr. Mater. Proces. 2014. Vol. 4. P. 325—353.

16. Pierson J.F., Billard A., Belmonte T. et al. Influence of oxygen flow rate on the structural and mechanical properties of reactively magnetron sputter-deposited Zr—B—O coatings // Thin Solid Films. 1999. Vol. 347. P. 78—84.

17. Shtansky D.V., Lyasotsky I.V., D’yakonova N.B. et al. Comparative investigation of Ti—Si—N films magnetron sputtered using Ti5Si3+Ti and Ti5Si3+TiN targets // Surf. Coat. Technol. 2004. Vol. 182. P. 210—220.

18. Kiryukhantsev-Korneev Ph.V., Pierson J.F., Kuptsov K.A. et al. Hard Cr—Al—Si—B—(N) coatings deposited by reactive and non-reactive magnetron sputtering of CrAlSiB target // Appl. Surf. Sci. 2014. Vol. 314. P. 104—111.

19. Amor S.B., Atyaoui M., Bousbih R. et al. Effect of substrate temperature on microstructure and optical properties of hydrogenated nanocrystalline Si thin films grown by plasma enhanced chemical vapor deposition // Sol. Energy. 2014. Vol. 108. P. 126—134.

20. Sain B., Das D. Self-assembled nc-Si/a-SiNx:H quantum dots thin films: An alternative solid-state light emitting material // J. Lumin. 2015. Vol. 158. P. 11—18.

21. Torchynska T.V., Casas Espinola J.L., Vergara Hernandez E. et al. Effect of the stoichiometry of Si-rich silicon nitride thin films on their photoluminescence and structural properties // Thin Solid Films. 2015. Vol. 581. P. 65—69.

22. Zern A., Mayer J., Janakiraman N. et al. Quantitative EFTEM study of precursor-derived Si–B–C–N ceramics // J. Eur. Ceram. Soc. 2002. Vol. 22. P. 1621—1629.

23. Yang Z.-H., Jia D.-Ch., Zhou Y. et al. Processing and characterization of SiB0,5C1,5N0,5 produced by mechanical alloying and subsequent spark plasma sintering // Mater. Sci. Eng. A. 2008. Vol. 488. P. 241—246.

24. Leyland A., Matthews A. On the significance of the H/E ratio in wear control: a nanocomposite coating approach to optimised tribological behaviour // Wear. 2000. Vol. 246. P. 1—11.

25. Shtansky D.V., Kiryukhantsev-Korneev Ph.V., Sheveiko A.N. et al. Hard tribological Ti—Cr—B—N coatings with enhanced thermal stability, corrosion- and oxidation resistance // Surf. Coat. Technol. 2007. Vol. 202. P. 861—865.