Multilayered Nanostructured Protective Coatings

Multilayered Nanostructured Protective Coatings

Israel Baumvol

Deposition and characterization of non-isostructural (Ti0.7Al0.3N)/(Ti0.3Al0.7N) multilayers

Eduardo K. Tentardini, Israel Baumvol et al.

Well-known effect for several iso-structural metal/ceramic or ceramic/ceramic nanostructured layers

Some Common Features• Nanoscale multilayer period Λ = 2 − 10 nm

• Constant periodicity

• Abrupt interfaces

• Convenient materials combination

Magnetron Sputtering

Main deposition parameters for Ti1-xAlxN films.

Power to Ti target (W) 1000

Power to Al target (W)Film A = 200Film B = 800

Base pressure (Pa) < 5 × 10-6

Working pressure (Pa) 2.4 × 10-1

Ar:N2 ratio 70:30

Titanium interlayer1 min; 2.4*10-1 Pa; 100% Ar;

800 W

Bias voltage 50 V pulsed with 50 kHz

Target to substrate distance (mm)

100

0,6 0,9 1,2 1,5 1,80

500

1000

1500

2000

2500

Film B

Bac

ksca

tterin

g Y

ield

Energy (MeV)

N

AlTi

Film A

464 460 456 452-7

0

7

14

21

Ti0.3Al0.7N

Inte

nsi

ty (

a.u

.)

Binding Energy (eV)

Ti 2p

Ti0.7Al0.3N

(Ti,Al)NO

404 402 400 398 396 394

-16

-14

-12

-9

-7

-5

-2

0

2

5

7

9

12

14

16

19

21

Ti0.7Al0.3N

Ti0.3Al0.7N

Binding Energy (eV)

N 1s(Ti,Al)ON

80 78 76 74 72 70-7

0

7

14

21

28

Ti0.7Al0.3N

Ti0.3Al0.7N

Inte

nsity

(a.

u.)

Binding Energy (eV)

Al 2p(Ti,Al)ON

Film A - Ti0.7Al0.3N – cubic, rock salt B1, TiN-like

Film B - Ti0.3Al0.7N – hexagonal, wutzite B4, AlN-like

(Ti,Al)N individual layers in order to take advantage of the cutting performance, as well as corrosion and high temperature oxidation of this coating.

Difficulties:

c)Controlling the deposition process in the nanoscale

e)Large probability of interdiffusion

g)Thermodynamical instabilities at the interfaces

Time to deposit individual films with 3, 5, 10 and 20 nmmultilayer coatings: A/B6, A/B10 A/B20 A/B40.

Multilayer acronym

Time to form film A (s)

Time to form film B (s)

Number of loops to form

1µm

A/B6 16 4 166

A/B10 26 6 100

A/B20 53 12 50

A/B40 105 25 25

GDOS

Medium Energy Ion Scattering – MEIS – 100 keV H+

Narrow resonance nuclear reaction profiling – NRP

Narrow resonance nuclear reaction profiling – NRP

Difficulties:

c)Controlling the deposition process in the nanoscale

e)Large probability of interdiffusion

g)Thermodynamical instabilities at the interfaces

Cesar Aguzzoli, Israel Baumvol et al.

Transporte atômico e reação química em nanoestruturas TiN e TiN/Ti em aço nitretado a plasma

INTRODUÇÃO

Nitretação a plasma

INTRODUÇÃO

Tratamento duplex

• Combinação de pelo menos dois processos;• Otimização de algumas propriedades;• Principal ganho em sustentação de carga e

adesão.

Substrato de açoTemperado e

Revenido

Filme Fino

Região do substrato nitretado

INTRODUÇÃODifusão de nitrogênio

• Nitrogênio migra pela interface TiN/aço nitretado ??• Não há um consenso a respeito do mecanismo desta

difusão e nem o mecanismo pelo qual a adesão é aumentada; tema já investigado no LESTT.

M2

TiN

M2

TiTiN

Ti-N (ancoramento)

MOTIVAÇÃO DO TRABALHO

• Existe migração das espécies químicas envolvidas?

• Por quais interfaces as espécies químicas estão migrando?

• Qual a influência da camada de Ti na difusão das espécies químicas envolvidas?

• Há correlação entre difusão de espécies químicas e adesão?

PROPOSTA DO TRABALHO

• Construir sistemas-modelo TiN/aço nitretado e TiN/Ti/aço nitretado;

• Distribuição em profundidade da concentração e composição química nas interfaces.

M2

TiN

M2

TiTiN

M2

Ti

Ti15N

M2

Ti15N

M2

Ti

TiN

M2

TiN

• Análise dos filmes depositados – RBS

SubstratoCarbono

TiN

SubstratoSilício

TiN

• Microestrutura cristalina, homogeneidade e rugosidade das interfaces – XRD e XRR

SubstratoSilício

TiN

• Análise da distribuição em profundidade da concentração de oxigênio–NRP 18O(p,α)15N

SubstratoSilício

TiN

SubstratoSilício

TiN

• Análise da distribuição em profundidade da concentração de nitrogênio – NRP

M2

TiTi15N

M2

Ti15N

1

TiN/Ti

• Análise da distribuição em profundidade da concentração de nitrogênio – NRP

M2

TiTiN

M2

TiN

2

• Análise da distribuição em profundidade da concentração de nitrogênio – NRP

M2

Ti15N implantado

TiN

M2

15N implantado

TiN

3

• Distribuição em profundidade de Ti – MEIS

SubstratoSilício

TiTi15N

XPS

TiN/Ti/Aço TiN/Aço

Low energy ion scattering - LEIS

M2

TiTiN

M2

TiN

Physicochemical, structural and mechanical properties of Si3N4 films annealed in O2

G.V. Soares, I.J.R. Baumvol et al.

Well-known effect for several iso-structural metal/ceramic or ceramic/ceramic nanostructured layers

18O(p,α)15N

18N(p,α)15O