zhpsЖурнал прикладной спектроскопииZhurnal Prikladnoii Spektroskopii0514-7506B. I. Stepanov Institute of Physics of the National Academy of Scienceszhps-1757Research ArticleСПЕКТРОСКОПИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛSPECTROSCOPY OF SOLIDSФормирование структуры MAX-фазы в покрытии и объемном материале Ti–Al–N при высокотемпературном отжиге в вакуумеMAX-PHASE STRUCTURE FORMATION IN COATING AND BULK MATERIAL Ti–Al–N AT HIGH-TEMPERATURE ANNEALING IN VACUUMОводокЕ. А.OvodokE. A.

Минск

Minsk

ovodok@bsu.byИвановскаяМ. И.IvanovskayaM. I.

Минск

Minsk

СелезневА. Е.SeleznevA. E.

Москва

Moscow

ЗлотскийС. В.ZlotskyS. V.

Минск

Minsk

УгловВ. В.UglovV. V.

Минск

Minsk

СотоваЕ.SotovaE.

Москва

Moscow

Научно-исследовательский институт физико-химических проблем БГУБеларусьResearch Institute for Physical Chemical Problems of the Belarusian State UniversityBelarusМосковский государственный технологический университет “СТАНКИН”РоссияMoscow State Technological University “STANKIN”Russian FederationБелорусский государственный университетБеларусьBelarusian State UniversityBelarus2025070220259217078Copyright © Оводок Е.А., Ивановская М.И., Селезнев А.Е., Злотский С.В., Углов В.В., Сотова Е., 20252025Оводок Е.А., Ивановская М.И., Селезнев А.Е., Злотский С.В., Углов В.В., Сотова Е.Ovodok E.A., Ivanovskaya M.I., Seleznev A.E., Zlotsky S.V., Uglov V.V., Sotova E.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://zhps.ejournal.by/jour/article/view/1757

Проведено сравнительное исследование структурно-фазового состояния систем Ti–Al–N, полученных в виде покрытия и объемного материала. Для характеристики структуры использованы методы рентгеновской дифракции, энергодисперсионной спектроскопии (ЭДС) и спектроскопии комбинационного рассеяния (КР). Применение ЭДС и КР позволило верифицировать данные рентгеновской дифракции о фазовом составе образцов, что особенно актуально при исследовании многофазных Ti–Al–N-покрытий, а также выявить особенности поверхностной микроструктуры покрытия. Покрытие Ti–Al–N получено методом химического осаждения Ti и Al в атмосфере N2 на Ti-подложке с последующим отжигом в вакууме при 700, 800, 900 и 1000 ºС. Объемный образец Ti–Al–N получен реакционным спеканием порошков Ti, Al, TiN в вакууме при 1200 и 1300 ºС. Ti2AlN МАХ-фаза появляется в покрытии при более низкой температуре, чем в объемном образце, и отличается меньшей термической устойчивостью. Покрытие Ti–Al–N отличается большей многофазностью, в нем после отжига в вакууме при 900 ºС регистрируются фазы Ti2AlN, Ti4AlN3, TiN, Ti2N, AlN. Разрушение структуры МАХ-фазы происходит при 1000 ºС. В объемном образце после отжига в вакууме при 1300 ºС основной является фаза Ti2AlN с небольшой примесью TiN и TiAl, разрушение Ti2AlN МАХ-фазы происходит при 1400 ºС. 

A comparative study of the structural and phase state of Ti–Al–N systems obtained in the form of a coating and a bulk material is carried out. The methods of X-ray diffraction, energy-dispersive spectroscopy (EDS) and Raman spectroscopy (RS) are used to characterize the structure. The use of EDS and RS makes it possible to verify the X-ray diffraction data on the phase composition of the samples, which is especially important in the study of multiphase Ti–Al–N coatings, and to identify the features of the surface microstructure of the coating. The Ti–Al–N coating is obtained by chemical deposition of Ti and Al in an N2 atmosphere on a Ti substrate with subsequent annealing in vacuum at 700, 800, 900 and 1000 ºС. The bulk Ti–Al– N sample is obtained by reaction sintering of Ti, Al, TiN powders in vacuum at 1200 and 1300ºС. Ti2AlN MAX phase appears in the coating at a lower temperature than in the bulk sample and is characterized by lower thermal stability. Ti–Al–N coating is characterized by a greater multiphase nature; after annealing in vacuum at 900 ºС, the following phases are registered in it: Ti2AlN, Ti4AlN3, TiN, Ti2N, AlN. The destruction of the MAX phase structure occurs at 1000 ºС. In the bulk sample after annealing in vacuum at 1300ºС, the main phase is Ti2AlN with a small admixture of TiN and TiAl, the destruction of the Ti2AlN MAX phase occurs at 1400 ºС. 

покрытие-Ti–Al–NTi2AlN МАХ-фазаTi4AlN3рентгеновская дифракцияэнергодисперсионная спектроскопияспектроскопия комбинационного рассеянияTi–Al–N coatingTi2AlN MAX phaseTi4AlN3X-ray diffractionenergy-dispersive spectroscopyRaman spectroscopyРабота выполнена в рамках совместного белорусско-российского проекта, финансируемого Белорусским фондом фундаментальных исследований (грант № Т23РНФМ-35) и Российским научным фондом (грант № 24-49-10012).ReferencesL. Toth. Transition Metal Carbides and Nitrides, New York-London, Academic Press (1971) 296L. Toth. Transition Metal Carbides and Nitrides, New York-London, Academic Press (1971) 296M. W. Barsoum. MAX Phases: Properties of Machinable Ternary Carbides and Nitrides, Wiley-VCH Germany (2013) 436M. W. Barsoum. MAX Phases: Properties of Machinable Ternary Carbides and Nitrides, Wiley-VCH Germany (2013) 436J. Gonzalez-Julian. J. Am. Ceram. Soc., 104 (2021) 659—690, https://doi.org/10.1111/jace.17544J. Gonzalez-Julian. J. Am. Ceram. Soc., 104 (2021) 659—690, https://doi.org/10.1111/jace.17544M. W. Barsoum. Prog. Solid State Chem., 28 (2000) 201—281, doi: 10.1016/S0079-6786(00)00006-6M. W. Barsoum. Prog. Solid State Chem., 28 (2000) 201—281, doi: 10.1016/S0079-6786(00)00006-6B. Anasori, M. R. Lukatskaya, Y. Gogotsi. Nature Rev. Mater., 2 (2017) 16098(1—16), http://dx.doi.org/10.1038/natrevmats.2016.98B. Anasori, M. R. Lukatskaya, Y. Gogotsi. Nature Rev. Mater., 2 (2017) 16098(1—16), http://dx.doi.org/10.1038/natrevmats.2016.98M. Naguib, V. N. Mochalin, M. W. Barsoum, Y. Gogotsi. Adv. Mater., 26 (2014) 992—1005, https://doi.org/10.1002/adma.201304138M. Naguib, V. N. Mochalin, M. W. Barsoum, Y. Gogotsi. Adv. Mater., 26 (2014) 992—1005, https://doi.org/10.1002/adma.201304138J. Shao, J. Zhang, C. Jiang, J. Lin, P. Huang. Chem. Eng. J., 400 (2020) 126009, https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.126009J. Shao, J. Zhang, C. Jiang, J. Lin, P. Huang. Chem. Eng. J., 400 (2020) 126009, https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.126009A. Szuplewska, A. Rozmysłowska-Wojciechowska, S. Poźniak, T. Wojciechowski, M. Birowska, M. Popielski, M. Chudy, W. Ziemkowska, L. Chlubny, D. Moszczyńska, A. Olszyna, J. A. Majewski, A. M. Jastrzębska. J. Nanobiotech., 17 (2019) 114, https://doi.org/10.1186/s12951-019-0545-4A. Szuplewska, A. Rozmysłowska-Wojciechowska, S. Poźniak, T. Wojciechowski, M. Birowska, M. Popielski, M. Chudy, W. Ziemkowska, L. Chlubny, D. Moszczyńska, A. Olszyna, J. A. Majewski, A. M. Jastrzębska. J. Nanobiotech., 17 (2019) 114, https://doi.org/10.1186/s12951-019-0545-4B. Soundiraraju, B. K. George. ACS Nano, 11 (2017) 8892—8900, https://doi.org/10.1021/acsnano.7b03129B. Soundiraraju, B. K. George. ACS Nano, 11 (2017) 8892—8900, https://doi.org/10.1021/acsnano.7b03129S. Akhtar, Sh. Roy, T. Thu Tran, J. Singh, S. Anir Sharbirin, J. Kim. Appl. Sci., 12 (2022) 4154, doi: 10.3390/ app12094154S. Akhtar, Sh. Roy, T. Thu Tran, J. Singh, S. Anir Sharbirin, J. Kim. Appl. Sci., 12 (2022) 4154, doi: 10.3390/ app12094154M. Sokol, V. Natu, S. Kota, M. Barsoum. Trends Chem., 1 (2019) 210—223, doi: 10.1016/j.trechm.2019.02.016M. Sokol, V. Natu, S. Kota, M. Barsoum. Trends Chem., 1 (2019) 210—223, doi: 10.1016/j.trechm.2019.02.016P. H. Mayrhofer, D. Music, J. M. Schneider. J. Appl. Phys., 100 (2006) 904—906, https://doi.org/10.1063/1.2360778P. H. Mayrhofer, D. Music, J. M. Schneider. J. Appl. Phys., 100 (2006) 904—906, https://doi.org/10.1063/1.2360778W. Münz. J. Vac. Sci. Technol. A, 4 (1986) 2717—2725, https://doi.org/10.1116/1.573713W. Münz. J. Vac. Sci. Technol. A, 4 (1986) 2717—2725, https://doi.org/10.1116/1.573713A. Kimura, H. Hasegawa, K. Yamada, T. Suzuki. Surf. Coat. Technol., 120-121 (1999) 438—441, https://doi.org/10.1016/S0257-8972(99)00491-0A. Kimura, H. Hasegawa, K. Yamada, T. Suzuki. Surf. Coat. Technol., 120-121 (1999) 438—441, https://doi.org/10.1016/S0257-8972(99)00491-0P. H. Mayrhofer, A. Hörling, L. Karlsson, J. Sjölén, T. Larsson, C. Mitterer, L. Hultman. Appl. Phys. Lett., 83 (2003) 2049—2051, https://doi.org/10.1063/1.1608464P. H. Mayrhofer, A. Hörling, L. Karlsson, J. Sjölén, T. Larsson, C. Mitterer, L. Hultman. Appl. Phys. Lett., 83 (2003) 2049—2051, https://doi.org/10.1063/1.1608464A. Hörling, L. Hultman, M. Odén, J. Sjölén, L. Karlsson. Surf. Coat. Technol., 191 (2005) 384, https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2004.04.056A. Hörling, L. Hultman, M. Odén, J. Sjölén, L. Karlsson. Surf. Coat. Technol., 191 (2005) 384, https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2004.04.056J. Haemers, R. Gusmão, Z. Sofer. Small Methods, 4 (2020) 190780, doi: 10.1002/smtd.201900780J. Haemers, R. Gusmão, Z. Sofer. Small Methods, 4 (2020) 190780, doi: 10.1002/smtd.201900780P. Eklund, M. Beckers, U. Jansson, H. Högberg, L. Hultman. Thin Solid Film, 518 (2010) 1851—1878, https://doi.org/10.1016/j.tsf.2009.07.184P. Eklund, M. Beckers, U. Jansson, H. Högberg, L. Hultman. Thin Solid Film, 518 (2010) 1851—1878, https://doi.org/10.1016/j.tsf.2009.07.184T. Zhang, H. Myoung, D. Shin, K. Kim. J. Ceram. Proc. Res., 13 (2012) 149—153T. Zhang, H. Myoung, D. Shin, K. Kim. J. Ceram. Proc. Res., 13 (2012) 149—153M. Beckers, N. Schell, R. M. S. Martins, A. Mücklich, W. M. L. Hultman. J. Appl. Phys., 99 (2006) 034902, https://doi.org/10.1063/1.2161943M. Beckers, N. Schell, R. M. S. Martins, A. Mücklich, W. M. L. Hultman. J. Appl. Phys., 99 (2006) 034902, https://doi.org/10.1063/1.2161943W. Garkas, C. Leyens, A. Flores Renteria. Adv. Mater. Res. Vols., 89-91 (2010) 208—213, https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.89-91.208W. Garkas, C. Leyens, A. Flores Renteria. Adv. Mater. Res. Vols., 89-91 (2010) 208—213, https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.89-91.208Q. M. Wang, W. Garkas, A. Flores Renteria, C. Leyens, K. H. Kim. J. Nanosci. and Nanotech., 11 (2011) 1—8, https://doi.org/10.1166/jnn.2011.3504Q. M. Wang, W. Garkas, A. Flores Renteria, C. Leyens, K. H. Kim. J. Nanosci. and Nanotech., 11 (2011) 1—8, https://doi.org/10.1166/jnn.2011.3504C. Höglunda, M. Beckers, N. Schell, J. V. Borany, J. Birch, L. Hultman. Appl. Phys. Lett., 90 (2007) 174106C. Höglunda, M. Beckers, N. Schell, J. V. Borany, J. Birch, L. Hultman. Appl. Phys. Lett., 90 (2007) 174106M. Beckers, N. Schell, R. M. S. Martins, A. Mücklich, W. Möller. Appl. Phys. Lett., 89 (2006)074101, https://doi.org/10.1063/1.2335681M. Beckers, N. Schell, R. M. S. Martins, A. Mücklich, W. Möller. Appl. Phys. Lett., 89 (2006)074101, https://doi.org/10.1063/1.2335681M. W. Barsoum, T. El-Raghy, A. T. Procopio. Metall. Mater. Trans. A, 31A (2000) 373—378, https://doi.org/10.1007/s11661-000-0273-1M. W. Barsoum, T. El-Raghy, A. T. Procopio. Metall. Mater. Trans. A, 31A (2000) 373—378, https://doi.org/10.1007/s11661-000-0273-1M. F. U. Din, C. Yang, Y. Tang, Y. Tian, Y. Luo, Y. Wuy, W. Que. J. Adv. Dielectrics, 9 (2019) 1950008, https://doi.org/10.1142/S2010135X19500085M. F. U. Din, C. Yang, Y. Tang, Y. Tian, Y. Luo, Y. Wuy, W. Que. J. Adv. Dielectrics, 9 (2019) 1950008, https://doi.org/10.1142/S2010135X19500085A. V. Linde, A. A. Kondakov, I. A. Studenikin, N. A. Kondakova, V. V. Grachev. Powder Metall. Func. Coatings, 4 (2022) 25—33, https://doi.org/10.17073/1997-308X-2022-4-25-33A. V. Linde, A. A. Kondakov, I. A. Studenikin, N. A. Kondakova, V. V. Grachev. Powder Metall. Func. Coatings, 4 (2022) 25—33, https://doi.org/10.17073/1997-308X-2022-4-25-33W. K. Pang, I. M. Low, S. J. Kennedy, R. I. Smith. Mater. Sci. Eng. A, 11 (2010) 137—142, https://doi.org/10.1016/j.msea.2010.08.012W. K. Pang, I. M. Low, S. J. Kennedy, R. I. Smith. Mater. Sci. Eng. A, 11 (2010) 137—142, https://doi.org/10.1016/j.msea.2010.08.012I. M. Low, W. K. Pang, S. J. Kennedy, R. I. Smith. J. Eur. Ceram. Soc., 31 (2011) 159—166, https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2010.09.014I. M. Low, W. K. Pang, S. J. Kennedy, R. I. Smith. J. Eur. Ceram. Soc., 31 (2011) 159—166, https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2010.09.014Z. Zhang, H. Jin, J. Chai, L. Shen, H. L. Seng, J. Pan, L. M. Wong, M. B. Sullivan, S. J. Wang. J. Phys. Chem. C, 118 (2014) 20927—20939, https://doi.org/10.1021/jp505428aZ. Zhang, H. Jin, J. Chai, L. Shen, H. L. Seng, J. Pan, L. M. Wong, M. B. Sullivan, S. J. Wang. J. Phys. Chem. C, 118 (2014) 20927—20939, https://doi.org/10.1021/jp505428aM. Beckers, C. Höglund, C. Baehtz, R. M. S. Martins, P. O. Å. Persson, L. Hultman, W. Möller. J. Appl. Phys., 106 (2009) 064915, https://doi.org/10.1063/1.3208065M. Beckers, C. Höglund, C. Baehtz, R. M. S. Martins, P. O. Å. Persson, L. Hultman, W. Möller. J. Appl. Phys., 106 (2009) 064915, https://doi.org/10.1063/1.3208065A. Joulain, L. Thilly, J. Rabier. Philos. Mag., 88 (2008) 1307—1320, https://doi.org/10.1080/14786430802126615A. Joulain, L. Thilly, J. Rabier. Philos. Mag., 88 (2008) 1307—1320, https://doi.org/10.1080/14786430802126615Q. Chen, B. Sundman. J. Phase Equilibria, 19 (1998) 146—160, https://doi.org/10.1361/105497198770342616Q. Chen, B. Sundman. J. Phase Equilibria, 19 (1998) 146—160, https://doi.org/10.1361/105497198770342616V. Presser, M. Naguib, L. Chaput, A. Togo, G. Hugd, M. W. Barsoum. J. Raman Spectrosc., 23 (2012) 168—172, https://doi.org/10.1002/jrs.3036V. Presser, M. Naguib, L. Chaput, A. Togo, G. Hugd, M. W. Barsoum. J. Raman Spectrosc., 23 (2012) 168—172, https://doi.org/10.1002/jrs.3036W. Spengler, R. Kaiser. Solid State Commun., 18 (1976) 881—884, https://doi.org/10.1016/0038-1098(76)90228-3W. Spengler, R. Kaiser. Solid State Commun., 18 (1976) 881—884, https://doi.org/10.1016/0038-1098(76)90228-3C. P. Constable, J. Yarwood, W. D. Munz. Surf. Coatings Technol., 116–119 (1999) 155—159, https://doi.org/10.1016/S0257-8972(99)00072-9C. P. Constable, J. Yarwood, W. D. Munz. Surf. Coatings Technol., 116–119 (1999) 155—159, https://doi.org/10.1016/S0257-8972(99)00072-9M. Franck, J-P. Celis, J. R. Roos. J. Mater. Res., 10 (1995) 119—125, https://doi.org/10.1557/JMR.1995.0119M. Franck, J-P. Celis, J. R. Roos. J. Mater. Res., 10 (1995) 119—125, https://doi.org/10.1557/JMR.1995.0119C. J. Rawn, M. W. Barsoum, T. El-Raghy, A. T. Procopio, C. M. Hoffman, C. R. Hubbard. Mater. Res. Bull., 35 (2000) 1785—1796, https://doi.org/10.1016/S0025-5408(00)00383-4C. J. Rawn, M. W. Barsoum, T. El-Raghy, A. T. Procopio, C. M. Hoffman, C. R. Hubbard. Mater. Res. Bull., 35 (2000) 1785—1796, https://doi.org/10.1016/S0025-5408(00)00383-4. B. Holm, R. Ahuja, S. Li, B. Johansson. J. Appl. Phys., 91 (2002) 9874—9877, https://doi.org/10.1063/1.1476076. B. Holm, R. Ahuja, S. Li, B. Johansson. J. Appl. Phys., 91 (2002) 9874—9877, https://doi.org/10.1063/1.1476076N. J. Lane, M. Naguib, V. Presser, G. Hug, L. Hultman, M. W. Barsoum. J. Raman Spectrosc., 43 (2011) 954—958, https://doi.org/10.1002/jrs.3101N. J. Lane, M. Naguib, V. Presser, G. Hug, L. Hultman, M. W. Barsoum. J. Raman Spectrosc., 43 (2011) 954—958, https://doi.org/10.1002/jrs.3101J. E. Spanier, S. Gupta, M. Amer, M. W. Barsoum. Phys. Rev. B, 71 (2005) 012103, https://doi.org/10.1103/PhysRevB.71.012103J. E. Spanier, S. Gupta, M. Amer, M. W. Barsoum. Phys. Rev. B, 71 (2005) 012103, https://doi.org/10.1103/PhysRevB.71.012103N. Saoula, S. Djerourou, K. Yahiaoui, K. Henda, R. Kesri, R. M. Erasmusc, J. D.Comins. Surf. Interface Anal., 42 (2010) 1176—1179, https://doi.org/10.1002/sia.3299N. Saoula, S. Djerourou, K. Yahiaoui, K. Henda, R. Kesri, R. M. Erasmusc, J. D.Comins. Surf. Interface Anal., 42 (2010) 1176—1179, https://doi.org/10.1002/sia.3299

The authors declare that there are no conflicts of interest present.