В современных реалиях вопрос повышения прочности и износостойкости материалов стоит достаточно остро. Эффективным способом улучшения данных характеристик является нанесение покрытий и, в частности, керамических. Одним из широко используемых в промышленности является покрытие TiAlN, обладающее высокой твердостью и износостойкостью, термической стабильностью и стойкостью к окислению [1, 2]. Однако трещиностойкость данных покрытий не велика вследствие наличия
выраженного ионного характера связи между Al и N. Добавление Ta в такие покрытия позволяет сохранить высокую твердость при повышенных температурах, однако твердость в сравнении с TiAlN снижается [1]. К тому же с повышением содержания Ta в TiAlTaN формируются крупные столбчатые зерна с прямыми ровными границами [1], способствующие быстрому распространению внутрь покрытия трещин при циклических нагрузках.
Сохранение необходимых эксплуатационных свойств может быть осуществлено созданием в покрытиях на основе TiAlN нанокристаллической структуры, для получения которой может быть использовано легирование Si [2]. Большая часть Si сегрегируется по границам зерен, образуя в покрытии зернограничные аморфные фазы, что приводит к существенному уменьшению размера зерен в материале (до 10 нм и меньше) и сопровождается значительным повышением твердости (до 50 - 80 ГПа [3]). В то же время добиться существенного повышения трещиностойкости и износостойкости покрытий TiAlN путем их легирования кремнием не удается.
Таким образом, перспективное направление улучшения свойств покрытий на основе TiAlN заключается в одновременном введении Ta и Si, что позволит создавать покрытия, обладающие рядом преимуществ, характерных как для TiAlTaN, так и для TiAlSiN. Подбор оптимального химического состава может быть наряду с экспериментальными исследованиями эффективно осуществлен с помощью компьютерного моделирования. Оно давно зарекомендовало себя как эффективный научный инструмент в таких областях науки как физика, химия, биология и фармацевтика. Компьютерное моделирование активно используется в качестве анализа научных данных. Примером тому может послужить предсказание структуры макромолекулы по данным спектроскопии ядерного магнитного резонанса. Компьютерное моделирование позволяет проводить изучение материалов в экстремальных условиях (сверхвысокая температура или давление, а также условия повышенной радиации). Оно также является инструментом для предсказания свойств материалов, которые еще не созданы. Для этой задачи, в частности, используется метод молекулярной динамики.
В связи с вышесказанным, целью данной работы является молекулярно-динамическое исследование влияния концентрации Si на механические свойства покрытий системы TiAlTaSiN.
В ходе моделирования методом классической молекулярной динамики получены результаты влияния анизотропии и химического состава покрытий TiAlTaSiN на отклик при механических воздействиях. Представленные в работе данные позволяют сделать следующие выводы:
1. Увеличение содержания Si имеет неоднозначный характер влияния на изменение предела прочности вдоль кристаллографических направлений [100], [110] и [111]. В частности, вдоль [100] происходит снижение предела прочности, вдоль [111] - увеличение, а вдоль [110] наблюдается максимум для 5 ат. % Si.
2. Установлено, что кристаллографическое направление [111] является наиболее хрупким при одноосном растяжении. Предельная деформация до разрушения на 30 % меньше, чем для направлений [100] и [110].
3. Установлено, что нанотвердость для кристаллографического направления [100] имеет максимум при 5 ат. % Si, что согласуется с экспериментальными данными [38].
4. В ходе исследования кристаллической структуры обнаружено, что с увеличением доли Si в образце уменьшается доля атомов с простой кубической решеткой, что качественно коррелирует с [38].
5. Показано, что для кристаллографических плоскостей (100) и (111) увеличение концентрации Si приводит к росту сил сопротивления, перпендикулярных свободной поверхности образца при скретч-тестировании. Это, в конечном счете, приводит к увеличению износостойкости покрытий. При этом плоскость (100) проявляет наибольшую износостойкость относительно плоскостей (110) и (111).
