マグネトロンスパッタリングにより調製したNiドープTiB 2系コーティングの構造と機械的性質に及ぼすバイアスの影響

- Apr 17, 2019-

マグネトロンスパッタリングにより調製したNiドープTiB 2系コーティングの構造と機械的性質に及ぼすバイアスの影響

 

 

二重ターゲット非反応性マグネトロンスパッタリングによって一連のNiドープTiB_2ベースのコーティングを調製した。組成をX線エネルギースペクトロメータによって決定し、コーティングの構造をX線回折と走査電子顕微鏡によって分析した。そして、コーティングの硬度、モジュラス、破壊靭性、フィルムベースの接着性およびトライボロジー特性は、ナノインデンテーション、ビッカースインデンテーション、引っ掻きおよび摩擦および摩耗によって特徴付けられた。 結果は以下のことを示した。この方法で調製したtib 2-niコーティングは六方晶TiB 2構造を有し、成長構造は非常に緻密であり、明らかな柱状成長構造と低い表面粗さはなかった。 硬度は40GPa以上です。 コーティングは良好な破壊靭性を有する。 破壊靭性と凝集力はバイアスの増加と共に増加した。 同時に、調製されたコーティングの摩擦係数はすべて0.5〜0.6の範囲内にあり、摩耗速度は同じ程度の大きさである。

 

マグネトロンスパッタリングによって調製されたTiB 2ベースのコーティングは、高い硬度および高い化学的安定性を有するので、それは多くの局面で広く使用されており、切削工具、型および航空宇宙部品の表面を保護するために使用できる。 Tib2ベースのコーティングは高い硬度を有するが、高い硬度を有する材料は通常脆性であり、それらが変形すると容易に破損する。 低い靭性は工学におけるtib2ベースのコーティングの適用を制限し、その靭性を改善することは非常に重要な研究方向となっています。 一般に、靭性の増加は容易に硬度の減少をもたらし、そして両方を達成することは困難である。

 

 

金属およびセラミック材料は多くの面で広く使われています。 金属の主な特徴は、それが高い靭性を持っているということです。 セラミックは高硬度だが靭性が低い。 近年、延性材料をセラミックベースのコーティングに組み込むことによって調製されたセラミック/金属ナノ複合材料コーティングが広く研究されてきた。 NiドープTiC、TiNおよびCrN、TiドープSiNなど、多くの炭化物および窒化物コーティングにNiまたはTiをドープした研究がいくつかある。金属ドープは硬度および靭性の変化をもたらす。 Akbariら。 25GPaより大きい硬度および良好な靭性を有するTi − Ni − nコーティングを見出した。

 

上記研究に基づいて、本論文はTiB 2亀裂抵抗のためにドープされた異なる金属を研究し、耐クラッキング性能に及ぼす見つけられたNiドーピングの影響はz *明白であるが、以前の研究において、改善があるが明らかに円柱状成長であり、これに基づいて、この論文は基板バイアスを変えることにより中間周波数と高周波電力マグネトロンスパッタリング装置の二重ターゲットを採用することを示した。バイアス。 調製したコーティングの構造と性質を研究し、その成長構造、硬さ、破壊靭性、フィルム接着性とトライボロジーに及ぼすバイアス圧力の影響を検討した。

実験

 

1.1 原材料とその準備

コーティングは、MS450高真空二重ターゲットマグネトロンスパッタリング装置を用いて調製した。 基板バイアスを変えることによって、異なるバイアスでtib2-niコーティングをコーニングイーグルガラス、単結晶Si(100)およびM2高速度鋼基板上に堆積した。 TiB 2ターゲット(直径100 mm、厚さ4 mm、純度99.9)

 

1.2 コーティング特性

Bruker D8型X線回折(XRD)を使用して、コーティング相分析、CuKアルファ、シータ/シータモード、ステップ長を0.01 ° 、走査範囲20 ° 〜70 °に設定した コーティングの成長構造は、日立S4800高分解能電界放出走査電子顕微鏡(SEM)を用いて観察した。 加速電圧は4kVであった。 コーティングの硬度測定は、MTS NANO G200ナノメートル押込装置で行い、ダイヤモンドベルコビッチヘッドを使用した。 基板の影響を低減するために、z *大きい注入深さを150nm(膜厚の約1/10)に設定した。各サンプルを8点で測定して平均し、荷重から塑性指数を計算した。そして荷を下すカーブ。 CSMのRevetest Revetest装置を使用して、コーティングと基材との間の結合力を分析し、そして圧力ヘッドは、200mの半径を有するダイヤモンドロックウェル圧力ヘッドであった。 負荷力は0〜100Nであり、そして負荷長さは3mmであった。 hv ‐ 1000微小硬さ試験機を用いたビッカース圧痕試験 FEI QuantaTM 250FEG SEMを用いて、5kVの電圧で引っかき形態とビッカース圧痕形態を特性化した。コーティングのトライボロジー特性を CETR umt ‐ 3摩擦試験機で特性化し、ボールとディスクの往復モードを用いた。実験室温および湿度62±5%で実施した。 二重球は2Nとして荷を積まれる6mmの直径が付いているAl2O3球です。二重球の往復速度そして頻度は5cm / sおよび5Hzです。磨耗跡の深さの分布はkla-tencorのアルファを使用することによって得られましたステップIQサーフェスプロファイラ。

 

2、結論

 

(1) マグネトロンスパッタリング装置を用いて、異なるバイアス圧力でNiドープTiB 2ベースコーティングを調製した。

(2) 構造的には、調製されたTib 2 − n 1コーティングはすべて六方晶TiB 2構造のみを有する。 低バイアスコーティングはアモルファスになる傾向があり、高バイアスコーティングは良好な結晶性を有する。 全てのコーティングは、緻密な成長構造を有し、明らかな柱状構造を有さず、そして粗さが低い(1nm未満)。

(3) 性能の観点から、硬度はTiB 2より高く40GPaより大きい。 延性は延性指数と押込み試験を通して良好であることが分かった。 引っかき試験を通して、被覆接着力は変圧器圧力の増加と共に増加し、高バイアスtib 2-ni被覆は良好な接着性を示した。 トライボロジー特性に関しては、調製されたコーティングの摩擦係数は全て0.5〜0.6であり、摩耗速度は1.2×10 −15 〜3.2×10 −15 m 3 / N mの範囲内であり、同じ桁数を維持している。

(4) 構造と特性の研究を通して、高い基板バイアス(約-110v)によって調製されたtib 2-niコーティングはより良い性能を示す。

 

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