Multiscaled analysis of wear mechanism of titanium and carbon basis multilayer coatings

The effect of damage on microstructure of multilayer coatings (TiN/Ti/a- C:H) has been analyzed. They were deposited through Pulsed Laser Deposition technique (PLD). The coatings microstructure was characterized using Tecnai F20 (200 kV) FEG. The chemical and phase composition were described by EDS and electron diffraction patterns, respectively. Coatings damage resistance was tested by pushing diamond ball with 1 N of the applied load (static test). Thin foils were prepared directly from the wear track by focused ion beam method (FIB) using Quanta 200 3D DualBeam. The multilayer coatings were characterized by strongly dislocated microstructure in TiN layers (like in single layered TiN), while a-C:H were amorphous. After mechanical test the multilayer TiN/Ti/a-C:H coating was strongly deformed. Ceramic TiN and a-C:H layers showed brittle cracking, while very thin metallic Ti layers (presented at each interface) were deformed plastically. Deformation lines were propagating in 45° to crystalline growth direction. The wear of crystalline TiN layers caused cracks along {111} planes. The presence of metallic phase led to the cracking resistance and increased an energetic cost of propagating cracks.

---

Przeprowadzono wieloskalową analizę mikrostruktury z wykorzystaniem SEM i TEM w zakresie wpływu zużycia na efekty zniszczenia wielowarstwowych powłok typu TiN/Ti/a-C:H. Powłoki wytworzono za pomocą metody osadzania laserem impulsowym (PLD – Pulsed Laser Deposition). Mikrostrukturę charakteryzowano w zróżnicowanej skali z zastosowaniem mikroskopu elektronowego skaningowego SEM oraz transmisyjnego Tecnai F20 (200 kV) FEG. Analizę składu chemicznego i fazowego wykonano, stosując odpowiednio metodę EDS oraz obrazy dyfrakcji elektronowych. Odporność powłok na zniszczenie testowano przez wciskanie kulki diamentowej pod obciążeniem 1 N (próba statyczna). Cienkie folie do badań TEM uzyskiwano bezpośrednio ze ścieżki zużycia z wykorzystaniem metody FIB (Focused Ion Beam), stosując aparaturę Quanta 200 3D DualBeam. Wielowarstwowe powłoki charakteryzowały się strukturą z licznymi dyslokacjami w warstwach TiN, podobną jak pojedyncze warstwy TiN, natomiast powłoki na bazie węgla a-C:H były amorficzne. Po próbach mechanicznych wielowarstwowe powłoki TiN/Ti/a-C:H były silnie odkształcone. Ceramiczne warstwy na bazie TiN oraz a-C:H ujawniały kruche pęknięcia, a w cienkich metalicznych warstwach Ti występujących jako granica fazowa stwierdzono odkształcenia plastyczne. Linie odkształcenia propagowały pod kątem 45° do kierunku wzrostu warstw. Proces zużycia warstw krystalicznych powodował pęknięcia wzdłuż płaszczyzn typu {111}. Obecność w powłoce warstwy z fazą metaliczną prowadziła do wzrostu odporności na pękanie oraz podnosiła barierę energetyczną propagacji pękania.