Structure and Phase Formation in Arc PVD Zr–B–Si–C–Ti–(N) Coatings

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Zr–B–Si–C–Ti and Zr–B–Si–C–Ti–N coatings have been produced for the first time by an arc physical vapor deposition process in a residual argon + nitrogen atmosphere. The Zr–B–Si–C–Ti coating had an amorphous–nanocrystalline structure. Nanocrystallites were formed in the Ti–B–C system, and the amorphous component of the material was formed by Zr–B–C and Si–C phases. The coating of the latter system had a predominantly amorphous structure (amorphous content of ~85–93%) based on titanium nitride with Ti–B and Ti–C bonds, zirconium carboboronitride (Zrx(C,N,B)y), zirconium boride, and silicon carbonitride.

About the authors

D. S. Belov

Moscow Institute of Steel and Alloys (National University of Science and Technology), 119049, Moscow, Russia

Email: dm.blv@yandex.ru
Россия, 119049, Москва, Ленинский пр., 4

I. V. Blinkov

Moscow Institute of Steel and Alloys (National University of Science and Technology), 119049, Moscow, Russia

Email: dm.blv@yandex.ru
Россия, 119049, Москва, Ленинский пр., 4

V. S. Sergevnin

Moscow Institute of Steel and Alloys (National University of Science and Technology), 119049, Moscow, Russia

Email: dm.blv@yandex.ru
Россия, 119049, Москва, Ленинский пр., 4

A. V. Chernogor

Moscow Institute of Steel and Alloys (National University of Science and Technology), 119049, Moscow, Russia

Email: dm.blv@yandex.ru
Россия, 119049, Москва, Ленинский пр., 4

A. P. Demirov

Moscow Institute of Steel and Alloys (National University of Science and Technology), 119049, Moscow, Russia

Email: dm.blv@yandex.ru
Россия, 119049, Москва, Ленинский пр., 4

A. M. Polyanskii

Glushko NPO Energomash, 141400, Khimki, Moscow oblast, Russia

Author for correspondence.
Email: dm.blv@yandex.ru
Россия, 141400, Московская обл., Химки, ул. Бурденко, 1

References

  1. Monteverde F., Scatteia L. Resistance to Thermal Shock and to Oxidation of Metal Diborides–SiC Ceramics for Aerospace Application // J. Am. Ceram. Soc. 2007. V. 90. P. 1130–1138.
  2. Chamberlain A., Fahrenholtz W., Hilmas G., Ellerby D. Oxidation of ZrB2–SiC Ceramics under Atmospheric and Reentry Conditions // Refract. Appl. Trans. 2005. V. 1. № 2. P. 2–8.
  3. Воронов В.А., Лебедев Ю.Е., Чайников А.С., Ткаленко Д.М., Шавнев А.А. Влияние вискерсов карбида кремния на физико-механические свойства керамического композиционного материала ZrB2/SiC // Неорган. материалы. 2022. Т. 58. № 1. С. 110–116. https://doi.org/10.31857/S0002337X22010134
  4. Yang X., Wei L., Song W. ZrB2/SiC as a Protective Coating for C/SiC Composites: Effect of High Temperature Oxidation on Mechanical Properties and Anti–Ablation Property // Composites, Part B. 2013. V. 45. P. 1391–1396. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2012.07.007
  5. Wang D., Zeng Y., Xiong X. Preparation and Ablation Properties of ZrB2–SiC Protective Laminae for Carbon/Carbon Composites // Ceram. Int. 2014. V. 40. P. 14215–14222. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2014.06.010
  6. Zou X., Fu Q., Liu L. ZrB2–SiC Coating to Protect Carbon/Carbon Composites Against Ablation // Surf. Coat. Technol. 2013. V. 226. P. 17–21. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2013.03.027
  7. Krella A. Resistance of PVD Coatings to Erosive and Wear Processes: A Review // Coat. 2020. V. 10. P. 921. https://doi.org/10.3390/coatings10100921
  8. Brown I.G. Cathodic Arc Deposition of Films // Ann. Rev. Mater. Sci. 1998. V. 28. P. 243–269. https://doi.org/10.1146/annurev.matsci.28.1.243
  9. Anders A.A. Review Comparing Cathodic Arcs and High-Power Impulse Magnetron Sputtering (HiPIMS) // Surf. Coat. Technol. 2014. V. 257. P. 308–325. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2014.08.043
  10. Takikawa H. Review of Cathodic Arc Deposition for Preparing Droplet–Free Thin Films // Int. Symp. on Discharges and Elect. Insulation in Vac. 2007. V. 35. P. 992–999. https://doi.org/10.1109/TPS.2007.897907
  11. Sanders D.M., Anders A. Review of Cathodic Arc Deposition Technology at the Start of the New Millennium // Surf. Coat. Technol. 2000. V. 133–134. P. 78–90. https://doi.org/10.1016/S0257-8972(00)00879-3
  12. Ian C., Madsen I., Nicola V.Y., Scarlett I., Arnt K. Description and Survey of Methodologies for the Determination of Amorphous Content via X-ray Powder Diffraction // Z. Kristallogr. 2011. V. 226. P. 944–955. https://doi.org/10.1524/zkri.2011.1437
  13. ASM Metals Handbook. V. 12. Fractography, ASM, 2002.
  14. David B.W., Carter C.B. Transmission Electron Microscopy. A Textbook for Materials Science: N.Y.: Springer, 2009.
  15. Jutter B., Kleberg I. The Retrograde Motion of Arc Cathode Spots in Vacuum // J. Phys. D: Appl. Phys. 2000. V. 33 P. 2025–2036.
  16. Beilis I. Vacuum Arc Cathode Spot Theory: History and Evolution of the Mechanisms // IEEE Trans. Plasma Sci. 2019. V. 47. P. 3412–3433. https://doi.org/10.1109/TPS.2019.2904324
  17. Craciun V., McCumiskey E., Hanna M. Very Hard ZrC Thin Films Grown by Pulsed Laser Deposition // J. Eur. Ceram. Soc. 2013. V. 33. P. 2223–2226. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2013.01.001
  18. Badrinarayanan S., Sinha S. XPS Studies of Nitrogen Ion Implanted Zirconium and Titanium // J. Solid State Chem. 1989. V. 49. P. 303–309.
  19. Chen L., Goto T., Hirai T. State of Boron in Chemical Vapour–Deposited SiC–B Composite Powders // J. Mater. Sci. Lett. 1990. V. 9. P. 997–999. https://doi.org/10.1007/BF00727857
  20. Didziulis S., Fleischauer P. Effects of Chemical Treatments on SiC Surface Composition and Subsequent MoS2 Film Growth // Langmuir. 1990. V. 6. P. 621–627. https://doi.org/10.1021/la00093a017
  21. Yan S., Fu T., Wang R., Tian C., Wang Z., Huang Z., Yang B., Fu D. Deposition of CrSiN/AlTiSiN Nano-Multilayer Coatings by Multi-Arc Ion Plating Using Gas Source Silicon // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res, Sect. B. 2013. V. 324. P. 35–40. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2013.01.084
  22. Dreiling I., Raisch C., Glaser J., Stiens D., Chassé T. Characterization and Oxidation Behavior of MTCVD Ti–B–N Coatings // Surf. Coat. Technol. 2011. V. 206. P. 479–486. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2011.07.067
  23. Ettmayer P., Lengauer W. Nitrides // Ullmann’s Encyclopedia of Ind. Chem. 2000. https://doi.org/10.1002/14356007.a17_341
  24. Shatynski S.R. The Thermochemistry of Transition Metal Carbides // Oxid. Met. 1979. V. 13. P. 105–118. https://doi.org/10.1007/BF00611975
  25. Li Y.-F., Xu H., Xia Q.-L., Liu X.-L. First-Principles Calculation of Structural and Thermodynamic Properties of Titanium Boride // J. Cent. South Univ. Technol. 2011. V. 18. P. 1773–1779. https://doi.org/10.1007/s11771-011-0901-5
  26. Zhu Y., Cheng L., Li M., Ma B., Liu Y., Zhang L. The Synthesis and Characterization of CVD ZrB2 Coating from ZrCl4–BCl3–H2–Ar System // Ceram. Int. 2018. V. 44. P. 2002–2010. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2017.10.145
  27. Peshev P. A Thermodynamic Estimation of the Chemical Vapor Deposition of Some Borides // J. Solid State Chem. 2000. V. 154. P. 157–161. https://doi.org/10.1006/jssc.2000.8828
  28. Prieto P., Kirby R.E. X-ray Photoelectron Spectroscopy Study of the Difference between Reactively Evaporated and Direct Sputter-Deposited TiN Films and Their Oxidation Properties // J. Vac. Sci. Technol., A. 1995. V. 13. P. 2819. https://doi.org/10.1116/1.579711
  29. Mavel G., Escard J., Costa P. ESCA (Electron Spectroscopy for Chemical Analysis) Study of Metal Borides // J. Cast., Surf. Sci. 1973. V. 35. P. 109–116.
  30. Galuska A.A., Uht J.C., Marquez N. Reactive and Nonreactive Ion Mixing of Ti Films on Carbon Substrates // J. Vac. Sci. Technol., A. 1988. V. 6. P. 110–122. https://doi.org/10.1116/1.574992
  31. Chastain R.C., King Jr. Handbook of X-ray Photoelectron Spectroscopy // N.Y.: Perkin-Elmer, 1992.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2.

Download (1MB)
3.

Download (839KB)
4.

Download (98KB)
5.

Download (3MB)
6.

Download (956KB)
7.

Download (2MB)

Copyright (c) 2023 Д.С. Белов, И.В. Блинков, В.С. Сергевнин, А.В. Черногор, А.П. Демиров, А.М. Полянский

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».