Процессы самоорганизации структуры ионно-плазменных покрытий CrTiZrNbHf (ВЭС), полученных по технологии многокатодного дугового напыления

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription or Fee Access

Abstract

Для получения вакуумных ионно-плазменных высокоэнтропийных покрытий системы CrTiZrNbHf была использована система трехкатодного дугового испарения. Среднестатистическая концентрация компонентов в покрытии составила Cr0.30Ti0.35Zr0.25Nb0.08Hf0.01. Кинетика осаждения покрытий и процесс самоорганизации его структуры изучался путем построения зонной структурной диаграммы Мовчана–Демчишина–Торнтона. Такие технологические параметры, как температура подложки, давление в вакуумной камере, скорость осаждения покрытия, плотность ионного тока, напряжение смещения и др. были объединены в виде расчетной величины энергии осаждения Ebi. Показано, что для исследованной системы CrTiZrNbHf критическим значением параметра Ebi является ~100 МДж/см3. Превышение этого порога ведет к вырождению структуры покрытия в виде зародышевой или каплеобразной морфологии.

Full Text

Restricted Access

About the authors

В. И. Колесников

Ростовский государственный университет путей сообщения

Email: kudryakov@mail.ru
Russian Federation, Ростов-на-Дону

О. В. Кудряков

Ростовский государственный университет путей сообщения; Донской государственный технический университет

Author for correspondence.
Email: kudryakov@mail.ru
Russian Federation, Ростов-на-Дону; Ростов-на-Дону

В. Н. Варавка

Донской государственный технический университет

Email: kudryakov@mail.ru
Russian Federation, Ростов-на-Дону

И. В. Колесников

Ростовский государственный университет путей сообщения

Email: kudryakov@mail.ru
Russian Federation, Ростов-на-Дону

К. Н. Политыко

Ростовский государственный университет путей сообщения

Email: kudryakov@mail.ru
Russian Federation, Ростов-на-Дону

References

  1. Fang C. M., Cantor B. An Equiatomic 20-Element High Entropy Amorphous Alloy: Ab Initio Molecular Dynamics Investigations. URL: www.preprints.org (open access article, posted date: 19 February 2024). https://doi.org/10.20944/preprints202402.1010.v1
  2. Zhang Y., Zhou Y. J., Lin J. P. Solid-Solution Phase Formation Rules for Multi-component Alloys // Advanced Engineering Materials. 2008. V. 10 (6). P. 534.
  3. Yeh J.-W. Alloy Design Strategies and Future Trends in High-Entropy Alloys // JOM. 2013. V. 65. P. 1759. https://doi.org/10.1007/s11837-013-0761-6
  4. Zhang R. F., Zhang S. H., He Z. J., Jing J., Sheng S. H. Miedema Calculator: A thermodynamic platform for predicting formation enthalpies of alloys within framework of Miedema’s Theory // Computer Physics Communications. 2016. V. 209. P. 58. https://doi.org/10.1016/j.cpc.2016.08.013
  5. Yurov V. M., Platonova E. S., Baltabekov A. High entropy coatings CuTiZrCrNi // Norwegian Journal of Development of the International Science. 2019. V. 36. P. 25.
  6. Ivanov Yu.F., Abzaev Y. A., Gromov V. E., Konovalov S. V., Klopotov A. A., Semin A. P. Phase analysis and structural state of AlCoFeCrNi high-entropy alloy of nonequiatomic composition // AIP Conference Proceedings. 2022. V. 2509 (1). 020087. https://doi.org/10.1063/5.0085244
  7. Torrento J. E. et al. Development of non-equiatomic Bio-HEAs based on TiZrNbTa-Mo and TiZrNbTa-Mn // APL Mater. 2022. V. 10 (8). 081113. https://doi.org/10.1063/5.0100465
  8. Sharma A. High Entropy Alloy Coatings and Technology // Coatings. 2021. V. 11. P. 372. https://doi.org/10.3390/coatings11040372
  9. Guo S., Liu C. T. Phase stability in high entropy alloys: Formation of solid-solution phase or amorphous phase // Progress in Natural Science: Material International. 2011. V. 21. P. 433.
  10. Мовчан Б. А., Демчишин А. В. Исследование структуры и свойств толстых вакуумных конденсатов никеля, титана, вольфрама, окиси алюминия и двуокиси циркония // Физика металлов и металловедение. 1969. T. 28. Вып. 4. С. 653.
  11. Thornton А. J. Тhе influence of bias sputter parameters оn thick copper coatings deposited using а hollow cathode // Тhin Solid Films. 1977. V. 40. P. 35.
  12. Anders А. A structure zone diagram including plasma based deposition and ion etching // Thin Solid Films: Lawrence Berkeley National Laboratory, University of California, 2010. http://www.escholarship.org/uc/item/3261x4bm
  13. Hultman L., Sundgren J. E. Handbook of Hard Coatings / Ed. R. F. Bunshah Noyes. NY: Park Ridge, 2001. 108 p.
  14. Азаренков Н. А., Береснев В. М., Погребняк А. Д., Колесников Д. А. Наноструктурные покрытия и наноматериалы: Основы получения. Свойства. Области применения. Особенности современного наноструктурного направления в нанотехнологии. М.: ЛИБРОКОМ, 2012. 368 с.
  15. Cantor B., Kim K. B., Warren, P. J. Novel multicomponent amorphous alloys // Mater. Sci. Forum. 2002. V. 386. P. 27.
  16. Гречников Ф. В., Бобровский И. Н., Ерисов Я. А., Хаймович А. И. Инициатива «геном материала» в мире и Российской Федерации // Изв. Самарск. НЦ РАН. 2017. Т. 19. № 1(3). С. 563.
  17. Zhou T., Song Z., Sundmacher K. Big Data Creates New Opportunities for Materials Research: A Review on Methods and Applications of Machine Learning for Materials Design // Engineering. 2019. V. 5. P. 1017.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. General view of a steel sample with an ion-plasma coating CrTiZrNbHf in an electron microscope: 1 — coating surface (sample tilt towards the observer 26 degrees); 2 — surface of the cross-section cut in the sample by an ion beam (FIB); 3 — cross-section of the coating larger than h ≈ 0.8 μm.

Download (28KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Structure of ion-plasma coatings of CrTiZrNbHf of different thickness, SEM, cross-sections: (a) — thin coating with thickness h ≈ 1.0 μm after surface treatment with a gallium ion beam; (b) — coating with thickness h = 2.5 μm.

Download (46KB)
Indexing metadata
4. Рис. 3. Элементный состав ионно-плазменного покрытия CrTiZrNbHf толщиной h = 2.6 мкм: (а) — расположение точечных сканов EDAX на поверхности кросс-секции; (б) — энергограмма распределения элементов (ат. %) в области точечного зондирования покрытия «Спектр 60».

Download (46KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Example of distribution of the main elements (at.%) by the depth of the CrTiZrNbHf coating with a thickness of h = 0.9 μm on the surface of the cross-section: (a) — electron image with profile line 1 located on the surface of the cross-section; (b) — distribution of Cr, Zr, Fe, Ti along profile line 1 from the coating surface into depth.

Download (31KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. M–D–T diagram with the shown range of values ​​of temperature Th and pressure PT used in the application of high-energy coatings of the CrTiZrNbHf system.

Download (28KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. M–D–T diagram in Th and Ebi coordinates for high-energy coatings of the CrTiZrNbHf system; numbers near the experimental points are the coating thickness (μm), numbers with the * sign are the thickness of the monolayer of individual crystallites.

Download (35KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences