Формирование структуры MAX-фазы в покрытии и объемном материале Ti–Al–N при высокотемпературном отжиге в вакууме

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. 

1. L. Toth. Transition Metal Carbides and Nitrides, New York-London, Academic Press (1971) 296

2. M. W. Barsoum. MAX Phases: Properties of Machinable Ternary Carbides and Nitrides, Wiley-VCH Germany (2013) 436

3. J. Gonzalez-Julian. J. Am. Ceram. Soc., 104 (2021) 659—690, https://doi.org/10.1111/jace.17544

4. M. W. Barsoum. Prog. Solid State Chem., 28 (2000) 201—281, doi: 10.1016/S0079-6786(00)00006-6

5. B. Anasori, M. R. Lukatskaya, Y. Gogotsi. Nature Rev. Mater., 2 (2017) 16098(1—16), http://dx.doi.org/10.1038/natrevmats.2016.98

6. M. Naguib, V. N. Mochalin, M. W. Barsoum, Y. Gogotsi. Adv. Mater., 26 (2014) 992—1005, https://doi.org/10.1002/adma.201304138

7. J. Shao, J. Zhang, C. Jiang, J. Lin, P. Huang. Chem. Eng. J., 400 (2020) 126009, https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.126009

8. A. 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/s12951-019-0545-4

9. B. Soundiraraju, B. K. George. ACS Nano, 11 (2017) 8892—8900, https://doi.org/10.1021/acsnano.7b03129

10. S. Akhtar, Sh. Roy, T. Thu Tran, J. Singh, S. Anir Sharbirin, J. Kim. Appl. Sci., 12 (2022) 4154, doi: 10.3390/ app12094154

11. M. Sokol, V. Natu, S. Kota, M. Barsoum. Trends Chem., 1 (2019) 210—223, doi: 10.1016/j.trechm.2019.02.016

12. P. H. Mayrhofer, D. Music, J. M. Schneider. J. Appl. Phys., 100 (2006) 904—906, https://doi.org/10.1063/1.2360778

13. W. Münz. J. Vac. Sci. Technol. A, 4 (1986) 2717—2725, https://doi.org/10.1116/1.573713

14. A. Kimura, H. Hasegawa, K. Yamada, T. Suzuki. Surf. Coat. Technol., 120-121 (1999) 438—441, https://doi.org/10.1016/S0257-8972(99)00491-0

15. P. H. Mayrhofer, A. Hörling, L. Karlsson, J. Sjölén, T. Larsson, C. Mitterer, L. Hultman. Appl. Phys. Lett., 83 (2003) 2049—2051, https://doi.org/10.1063/1.1608464

16. A. Hörling, L. Hultman, M. Odén, J. Sjölén, L. Karlsson. Surf. Coat. Technol., 191 (2005) 384, https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2004.04.056

17. J. Haemers, R. Gusmão, Z. Sofer. Small Methods, 4 (2020) 190780, doi: 10.1002/smtd.201900780

18. P. Eklund, M. Beckers, U. Jansson, H. Högberg, L. Hultman. Thin Solid Film, 518 (2010) 1851—1878, https://doi.org/10.1016/j.tsf.2009.07.184

19. T. Zhang, H. Myoung, D. Shin, K. Kim. J. Ceram. Proc. Res., 13 (2012) 149—153

20. M. Beckers, N. Schell, R. M. S. Martins, A. Mücklich, W. M. L. Hultman. J. Appl. Phys., 99 (2006) 034902, https://doi.org/10.1063/1.2161943

21. W. Garkas, C. Leyens, A. Flores Renteria. Adv. Mater. Res. Vols., 89-91 (2010) 208—213, https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.89-91.208

22. Q. 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.2011.3504

23. C. Höglunda, M. Beckers, N. Schell, J. V. Borany, J. Birch, L. Hultman. Appl. Phys. Lett., 90 (2007) 174106

24. M. Beckers, N. Schell, R. M. S. Martins, A. Mücklich, W. Möller. Appl. Phys. Lett., 89 (2006)074101, https://doi.org/10.1063/1.2335681

25. M. W. Barsoum, T. El-Raghy, A. T. Procopio. Metall. Mater. Trans. A, 31A (2000) 373—378, https://doi.org/10.1007/s11661-000-0273-1

26. M. 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/S2010135X19500085

27. A. 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-2022-4-25-33

28. W. 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.2010.08.012

29. I. 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.2010.09.014

30. Z. 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/jp505428a

31. M. 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/10.1063/1.3208065

32. A. Joulain, L. Thilly, J. Rabier. Philos. Mag., 88 (2008) 1307—1320, https://doi.org/10.1080/14786430802126615

33. Q. Chen, B. Sundman. J. Phase Equilibria, 19 (1998) 146—160, https://doi.org/10.1361/105497198770342616

34. V. 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.3036

35. W. Spengler, R. Kaiser. Solid State Commun., 18 (1976) 881—884, https://doi.org/10.1016/0038-1098(76)90228-3

36. C. P. Constable, J. Yarwood, W. D. Munz. Surf. Coatings Technol., 116–119 (1999) 155—159, https://doi.org/10.1016/S0257-8972(99)00072-9

37. M. Franck, J-P. Celis, J. R. Roos. J. Mater. Res., 10 (1995) 119—125, https://doi.org/10.1557/JMR.1995.0119

38. C. 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

39. . B. Holm, R. Ahuja, S. Li, B. Johansson. J. Appl. Phys., 91 (2002) 9874—9877, https://doi.org/10.1063/1.1476076

40. N. 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.3101

41. J. E. Spanier, S. Gupta, M. Amer, M. W. Barsoum. Phys. Rev. B, 71 (2005) 012103, https://doi.org/10.1103/PhysRevB.71.012103

42. N. 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