Variación en la microestructura y las propiedades mecánicas de las películas de Ti-Al-N inducida por la atmósfera de plasma de nitrógeno reactivo mejorado de la fuente de iones RF-ICP

Espectros XRD de muestras S1 – S5. Insertar tabla es el valor FWHW de (220) para S1 – S5

La calidad del cristal de Ti-Al-N degenerado a altos índices de flujo de gas nitrógeno es el resultado de la variación del plasma de nitrógeno que se origina en RF-ICPIS. Se pueden ionizar más átomos de nitrógeno cuando se aumentan las velocidades de flujo de nitrógeno en la fuente de iones, y también se mejoran las densidades de plasma correspondientes en la cámara de pulverización catódica. Las concentraciones de electrones cerca de los sustratos se miden con la sonda de Langmuir. Los resultados calculados muestran que las concentraciones medias de electrones varían de 1,5 × 10 ¹⁶ a 2,7 × 10 ¹⁶ cm ⁻³ con los caudales de gas nitrógeno aumentando de 5 a 25 sccm. Las concentraciones mejoradas de electrones indican que las densidades plasmáticas mejoran durante el progreso de la deposición. Además, los voltajes de la fuente de pulverización catódica con una corriente de pulverización catódica fija de 0,4 A durante la deposición son 482, 461, 443, 408 y 376 V para 5, 10, 15, 20 y 25 sccm respectivamente. La disminución de la impedancia entre los sustratos y el objetivo también refleja la atmósfera de plasma mejorada. La alta densidad del plasma mejora las colisiones entre los átomos que condujeron al camino libre medio de los átomos metálicos bombardeados y las tasas de deposición de la película disminuyen. Seguido, los átomos adsorbidos en los sustratos tienen más tiempo para migrar y nuclearse y contribuir a las cristalizaciones de la película. Cuando los caudales de nitrógeno superan un cierto umbral, aunque las densidades del plasma se mejoran aún más, no se ionizarían completamente más átomos de nitrógeno con una potencia de fuente de iones fija de 50 W [20]. En comparación con los átomos de nitrógeno completamente ionizados, esos átomos no completamente ionizados están más cerca del sustrato y participarían directamente en el crecimiento de la nucleación de las películas. Como resultado, el contenido de nitrógeno en las películas de Ti-Al-N está bastante más allá de la relación estequiométrica.

La Figura 3 muestra las micromorfologías planas y transversales de películas de Ti-Al-N observadas por FESEM. Las morfologías de la superficie Ti-Al-N exhiben los típicos granos cónicos tripartitos [21]. Comparando con las Fig. 3a, b, podemos encontrar que la película depositada a baja densidad de plasma de nitrógeno (S3) tiene tamaños de grano más pequeños y superficies más densas que S5 depositada a alta densidad de plasma, lo que también está de acuerdo con los resultados de XRD. En una atmósfera de baja densidad de plasma, los átomos de nitrógeno completamente ionizados y el tiempo de migración suficiente de los adatomos promueven el crecimiento y la cristalización de Ti-Al-N y contribuyen a la superficie más densa. También se estudian las microestructuras de la muestra comparativa CS3, que se deposita mediante el método tradicional de ionización del gas argón y tiene el mismo parámetro experimental que el S3 (ver material complementario). En comparación con S3, CS3 muestra una superficie plana más suelta y rugosa, y aparecen muchos vacíos entre los límites de los granos. Mientras tanto, el CS3 tiene el menor espesor de película que el S3. Las razones se atribuyen principalmente a las diferencias de atmósfera de deposición entre esos dos métodos de ionización de gas. Ionizando directamente el gas nitrógeno en RF-ICPIS, la temperatura de ionización del gas se puede reducir de manera eficiente y se puede obtener plasma de nitrógeno de alta densidad. En consecuencia, los adatomos sobre sustratos tendrían una alta energía de migración y serían beneficiosos para el crecimiento y cristalización de las películas de Ti-Al-N. En las imágenes transversales de FESEM, se observan claramente estructuras columnares para películas de Ti-Al-N depositadas a 15 y 25 sccm, y las películas revelan un espesor de 1,002 y 1,561 μm, respectivamente. En circunstancias de alta densidad de plasma, la tasa de deposición de la película aumenta en un 50%. Los resultados son diferentes de la dispersión de átomos mejorada inducida por una baja tasa de deposición y surgen principalmente del rápido crecimiento de nitruro débilmente enlazado asociado con esos átomos de nitrógeno no completamente ionizados. Mientras tanto, las estructuras columnares de S3 exhiben nanoestructuras granuladas y más densas, y la muestra de S5 revela las estructuras columnares con huecos y límites a lo largo de la película. Es además evidente que la alta densidad del plasma de nitrógeno es adversa a las cualidades de cristalización de las películas de Ti-Al-N.

Imágenes FESEM planas y transversales de S3 ( a , c ; 15 sccm) y S5 ( b , d ; 25 sccm)

Además, AFM estudia la rugosidad de las películas de Ti-Al-N depositadas a varios caudales de gas nitrógeno, y los valores de rugosidad de la raíz cuadrada media (RMS) se representan en la Fig. 4. La rugosidad se reduce primero y luego se aumenta. con el aumento de los caudales de gas nitrógeno, y el valor mínimo de 3.932 nm se obtiene a 15 sccm. Mientras tanto, como se muestra en la Fig. 4c, podemos encontrar la superficie de la película de la muestra S5 que está llena de partículas hinchadas y el barranco entre partículas que son bastante profundas. Las superficies más rugosas de S5 se pueden atribuir a las malas cualidades del cristal y las superficies escasas. En la estructura cristalina de Ti-Al-N, la relación Al / Ti también es un factor importante de que los átomos de Al ocupan sitios de red de los átomos de Ti e introduce defectos de red para influir en la microestructura y las propiedades mecánicas [18, 22]. Las relaciones Al / Ti calculadas basadas en pruebas EDS son 1,66, 1,54, 1,43, 1,60 y 1,85 para S1 – S5, respectivamente. La excelente calidad del cristal y la baja relación Al / Ti contribuyen a la superficie más lisa de la muestra de Ti-Al-N depositada a 1 sccm. Las altas relaciones Al / Ti agravan los defectos de la estructura de distorsión de la red en las películas S5 y exacerban la rugosidad de la superficie.

un Valores de rugosidad RMS de películas de Ti – Al – N en función de los caudales de gas nitrógeno. Insertar tabla son los valores de las raciones de Al / Ti; b y c son las imágenes AFM de las muestras S3 y S5, respectivamente

La dureza de las películas de Ti-Al-N depositadas sobre sustratos de acero inoxidable bajo diferentes velocidades de flujo de gas nitrógeno se muestra en la Fig. 5. La dureza de las películas de Ti-Al-N obtenidas a 5, 10, 15, 20 y 25 sccm son 33,1, 33,3, 34,6, 29,1 y 26,4 GPa, respectivamente. En el rango de flujo de nitrógeno bajo, la dureza de las películas de Ti-Al-N es bastante más alta que la del material tradicional de Ti-N. La dureza mejorada de Ti-Al-N se origina principalmente a partir de la evolución de la microestructura a través de la introducción de contenidos de Al, que los átomos de Al que ocupan parte de los sitios de la red de los átomos de Ti provocan la derrota de la red y aumentan la tensión interna de las películas. Además, las relaciones Al / Ti de las muestras S1-S5 son más altas que las de los materiales Ti-Al-N fabricados con un sistema de pulverización catódica convencional, ya que la técnica RF-ICPIS puede reducir la temperatura de ionización del gas y aumentar la tasa de ionización durante la reacción de pulverización catódica, también convertir el rendimiento de pulverización catódica de partículas metálicas [23]. Las altas relaciones Al / Ti que inducen la distorsión de la red también causan la resistencia al movimiento de dislocación y el movimiento de deslizamiento difícil, que pueden contribuir conjuntamente al excelente rendimiento de dureza de las películas de Ti-Al-N depositadas a tasas de flujo de nitrógeno bajas. Mientras tanto, la cristalización optimizada y los tamaños de grano reducidos promueven aún más la dureza hasta el máximo de 34,6 GPa a 15 sccm.

Dureza de las películas de Ti-Al-N depositadas a diferentes velocidades de flujo de gas nitrógeno

Las propiedades de fricción de las películas de Ti-Al-N también se estudian mediante el aparato de desgaste de bola sobre disco, y el coeficiente de fricción medio de las películas de Ti-Al-N se representa en la Fig. 6. La variación de los coeficientes de fricción según el gas nitrógeno Los caudales son similares a la rugosidad RMS. Obviamente, las superficies lisas y las nanoestructuras densas en sección transversal de las películas de Ti-Al-N depositadas a velocidades de flujo de gas nitrógeno bajas son beneficiosas para el rendimiento tribológico de la superficie. Mientras tanto, el S1-S3 muestra un coeficiente de fricción medio más pequeño que el CS3 (ver material complementario).

Coeficiente de fricción medio de películas de Ti-Al-N depositadas a diferentes velocidades de flujo de gas nitrógeno. Los insertos son la curva del coeficiente de fricción de S3 y S5, respectivamente

Conclusión

En resumen, se estudian la microestructura y las propiedades mecánicas de las películas de Ti-Al-N depositadas en diferentes atmósferas de plasma de nitrógeno. Se encuentra que el contenido de elementos en las películas de Ti-Al-N está bastante influenciado por la densidad del plasma de nitrógeno. La baja densidad de plasma es beneficiosa para las cualidades de cristalización de la película y la microestructura, que está respaldada por los espectros XRD y FESEM. Además, la rugosidad de la superficie y las propiedades mecánicas como la dureza y el coeficiente de fricción se pueden optimizar aún más en el rango de densidad de plasma apropiado. A alta densidad de plasma, el contenido excesivo de nitrógeno en las películas puede inducir una fase de nitruro metaestable y ser responsable de la microestructura suelta y el rendimiento mecánico agravado. Nuestros resultados serían una forma eficiente de comprender mejor el mecanismo de crecimiento relacionado con la atmósfera de deposición de las películas de Ti-Al-N.

Disponibilidad de datos y materiales

Todos los datos están completamente disponibles sin restricciones.

Abreviaturas

RF-ICPIS:

Fuente de iones de plasma acoplada inductivamente por radiofrecuencia

DC:

Corriente continua

EDS:

Espectrómetro de dispersión de energía

XRD:

Difracción de rayos X

FESEM:

Microscopía electrónica de barrido por emisión de campo

AFM:

Microscopía de fuerza atómica

FWHM:

Ancho completo a la mitad del máximo

RMS:

Raíz cuadrada media

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