Microstructure and Properties of Nanocrystalline Hard Coatings and Thin Film Nanocomposites

Abstract

In this work, microstructure and properties of M-Al-(Si-)N nanocrystalline hard coatings and thin film nanocomposites deposited by cathodic arc evaporation (CAE) process at different positions of substrates in the deposition apparatus were investigated using the combination of electron probe microanalysis, X-ray diffraction, transmission electron microscopy with high resolution and hardness measurement. Six series of specimens that differed in the transition metal type (Cr, Ti and Zr) and in the amount of Si and Al were deposited using the CAE process in the deposition apparatus π-80 produced by Platit AG. The essential microstructural parameters; the chemical and phase composition, the residual stress, preferred orientation of crystallites, crystallite size and mutual disorientation of crystallites were determined in all coatings under study. The derived microstructural parameters were correlated with the hardness of coatings. Finally, the microstructural model of the nanocrystalline hard coatings and thin film nanocomposites formation was developed. Depending on the sample chemical composition, three regions with different phase compositions exist in the coatings. In the transition metal richest samples, a single fcc M1-x- yAlxSiyN phase exists in the coating. With increasing Al content,...

Tato práce je věnována studiu mikrostruktury a vlastností M-Al-(Si-)N nanokrystalických tvrdých povlaků a nanokompozitních tenkých vrstev, deponovaných napařováním v katodovém oblouku (CAE), kombinací metod elektronové mikroanalýzy, difrakce rentgenového záření, transmisní elektronové mikroskopie s vysokým rozlišením (TEM / HRTEM) a měřením mikrotvrdosti. Šest sérií vzorků, lišících se typem přechodového kovu (Cr, Ti and Zr) a množstvím Al a Si v závislosti na pozici substrátu vzhledem ke katodám, bylo deponováno CAE procesem v depozičním přístroji π-80 vyrobeném firmou Platit AG. Ve všech studovaných povlacích byly určeny základní mikrostrukturní parametry, jmenovitě chemické a fázové složení, zbytková napětí, preferenční orientace krystalitů, velikost koherentně difraktujících domén a vzájemná desorientace krystalitů. Odvozené mikrostrukturní parametry byly korelovány s mechanickými vlastnostmi vrstev - mikrotvrdostí. Následně byl vytvořen mikrostrukturní model vývoje nanokrystalických tvrdých povlaků a nanokompozitních tenkých vrstev. V závislosti na chemickém složení vzorků existují ve studovaných vrstvách tři oblasti lišící se fázovým složením. Ve vzorcích s nejvyšší koncentrací přechodového kovu existuje pouze jediná - kubická plošně centrovaná (kpc) M1-x-yAlxSiyN fáze. Se vzrůstající...