Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. Основан в 2009 году

Фазообразование в системе Nb-Cu-Ti, сформированной на подложке вакуумно-дуговым плазменно- ассистированным методом

Н.А. Прокопенко1, Е.А. Петрикова1, О.С. Толкачев1, А.А. Клопотов2, Ю.Ф. Иванов1

1 ФГБУН «Институт сильноточной электроники» Сибирского отделения РАН
2 ФГБОУ ВО «Томский государственный архитектурно-строительный университет»

DOI: 10.26456/pcascnn/2025.17.135

Оригинальная статья

Аннотация: Многослойные системы, включающие интерфейсы между различными металлами, считаются новым семейством материалов с широким спектром применений (электронные устройства, материалы для аэрокосмических и ядерных установок, где необходимы исключительные механические, электрические и термические свойства в условиях высокой деформации и высокотемпературных термоциклических воздействий). Целью настоящей работы являлось исследование элементного и фазового состава, субструктуры, механических и трибологических свойств бинарных (Nb – Cu) пленок, легированных атомами титана, сформированных на твердой подложке вакуумно-дуговым плазменно-ассистированным методом. Эксперименты по нанесению тонких пленок и покрытий проводили на ионно-плазменной установке «КВИНТА», разработанной в лаборатории плазменной эмиссионной электроники ФГБУН «Институт сильноточной электроники» Сибирского отделения РАН. Показано, что в процессе образования пленки Nb – Cu легируются атомами титана, поступающими в результате диффузии из подложки (ВТ1-0). Установлено, что пленки являются слоистым двухфазным (медь и ниобий) аморфно-кристаллическим материалом.
Микротвердость пленок составляет 6,8 ГПа, что кратно (более чем в 5 раз) превышает микротвердость поликристаллического ниобия; параметр износа (величина, обратная износостойкости) k = 2,2×10-5 мм3/Н∙м, что в 24,6 раза меньше параметра износа чистой меди.

Ключевые слова: система «пленка/подложка», вакуумно-дуговой плазменно-ассистированный метод, фазовый состав, дефектная субструктура, микротвердость, износостойкость

  • Прокопенко Никита Андреевич – младший научный сотрудник лаборатории плазменной эмиссионной электроники, ФГБУН «Институт сильноточной электроники» Сибирского отделения РАН
  • Петрикова Елизавета Алексеевна – младший научный сотрудник лаборатории плазменной эмиссионной электроники, ФГБУН «Институт сильноточной электроники» Сибирского отделения РАН
  • Толкачев Олег Сергеевич – младший научный сотрудник лаборатории плазменной эмиссионной электроники, ФГБУН «Институт сильноточной электроники» Сибирского отделения РАН
  • Клопотов Анатолий Анатольевич – д.ф.-м.н., профессор кафедры Прикладной механики и материаловедения, ФГБОУ ВО «Томский государственный архитектурно-строительный университет»
  • Иванов Юрий Федорович – д.ф.-м.н., главный научный сотрудник лаборатории плазменной эмиссионной электроники, ФГБУН «Институт сильноточной электроники» Сибирского отделения РАН

Ссылка для цитирования:

Прокопенко, Н.А. Фазообразование в системе Nb-Cu-Ti, сформированной на подложке вакуумно-дуговым плазменно- ассистированным методом / Н.А. Прокопенко, Е.А. Петрикова, О.С. Толкачев, А.А. Клопотов, Ю.Ф. Иванов // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2025. - Вып. 17. - С. 135-147. DOI: 10.26456/pcascnn/2025.17.135. ⎘

Полный текст: загрузить PDF файл

Библиографический список:

1. Beyerlein, I.J. Structure–property–functionality of bimetal interfaces / I.J. Beyerlein, N.A. Mara, J. Wang et al. // JOM. – 2012. – V. 64. – I. 10. – P. 1192-1207. DOI: 10.1007/s11837-012-0431-0.
2. Gao, Y. Radiation tolerance of Cu/W multilayered nanocomposites / Y. Gao, T. Yang, J. Xue et al. // Journal of Nuclear Materials. – 2011. – V. 413. – I. 1. – P. 11-15. DOI: 10.1016/j.jnucmat.2011.03.030.
3. Ma, G.C. Fundamental effects of hydrogen on cohesion properties of Cu/W interfaces / G.C. Ma, J.L. Fan, H.R. Gong et al. // Solid State Communications. – 2017. – V. 250 – P. 79-83. DOI: 10.1016/j.ssc.2016.11.018.
4. Zheng, S. High- strength and thermally stable bulk nanolayered composites due to twin-induced interfaces / S. Zheng, I.J. Beyerlein, J.S. Carpenter et al. // Nature Communications. – 2013. – V. 4 – I. 1. – Art. 1696. – 8 p. DOI: 10.1038/ncomms2651.
5. Primorac, M.M. Elevated temperature mechanical properties of novel ultra-fine grained Cu-Nb composites / M.M. Primorac, M.D. Abad, P. Hosemann et al. // Materials Science and Engineering: A. – 2015. – V. 625. – P. 296-302. DOI: 10.1016/j.msea.2014.12.020.
6. Park, S.‑M. Effect of ECAP on change in microstructure and critical current density of low temperature super-conducting monowire / S.‑M. Park, Y.‑S. Oh, S.‑J. Kim et al. // International Journal of Precision Engineering and Manufacturing. – 2019. – V. 20. – I. 9. – P. 1563-1572. DOI: 10.1007/s12541-019-00164-3.
7. Zhang, P. NbTi superconducting wires and applications / P. Zhang, J. Li, Q. Guo et al. // In book: Titanium for Consumer Applications. Real World Use of Titanium. – Amsterdam: Elsevier, 2019. – Ch. 15. – P. 279-296. DOI: 10.1016/B978-0-12-815820-3.00010-1.
8. Banno, N. High-temperature-tolerable superconducting Nb-alloy and its application to Pb- and Cd-free superconducting joints between NbTi and Nb3Sn wires / N. Banno, K. Kobayashi, A. Uchida, H. Kitaguchi // Journal of Materials Science. – 2021. – V. 56. – I. 36. – P. 20197-20207. DOI: 10.1007/s10853-021-06585-8.
9. Davies, T. Atmospheric oxidation of NbTi superconductor / T. Davies, C.R.M. Grovenor, S.C. Speller // Journal of Alloys and Compounds. – 2020. – V. 848. – Art. № 156345. – 12 p. DOI: 10.1016/j. jallcom.2020.156345.
10. Karasev, Yu.V. The superconducting NbTi wire for the CBM dipole magnet / Yu.V. Karasev, V.Y. Korpusov, A.V. Malchenkov et al. // Journal of Superconductivity and Novel Magnetism. – 2022. – V. 35. – I. 3. – P. 705-710. DOI: 10.1007/s10948-022-06143-6.
11. Karpati, V. On formation of intermetallic compounds at the Copper / Niobium-Titanium interface / V. Karpati, J. Korozs, G. Kaptay, V. Mertinger // Journal of Alloys and Compounds. – 2022. – V. 918. – Art №. 165567. – 11 p. DOI: 10.1016/j.jallcom.2022.165567.
12. Bozic, D. Multiple strengthening mechanisms in nanoparticle-reinforced copper matrix composites / D. Bozic, J. Stasic, B. Dimcic et al. // Bulletin of Materials Science. – 2011. – V. 34. – I. 2. – P. 217-226. DOI: 10.1007/s12034-011-0102-8
13. Akbarpour, M.R. Wear performance of novel nanostructured Ti-Cu intermetallic alloy as a potential material for biomedical applications / M.R. Akbarpour, S.M. Javadhesari // Journal of Alloys and Compounds. – 2017. – V. 669. – P. 882-886. DOI: 10.1016/j.jallcom.2017.01.020.
14. Barna, D. Conceptual design of a high-field septum magnet using a superconducting shield and a canted-cosine-theta magnet / D. Barna, M. Novák, K. Brunner et al. // Review of Scientific Instruments. – 2019. – V. 90. – I. 5. – Art. 053302. – 7 p. DOI: 10.1063/1.5096020.
15. Barannikova, S. Fine structural characterization of the elements of a Nb-Ti superconducting cable / S. Barannikova, G. Schlyakhova, O. Maslova et al. // Journal of Materials Research and Technology. – 2019. – V. 8. – I. 1. – P. 323-332. DOI: 10.1016/j.jmrt.2018.02.004.
16. Hillmann, H. Fabrication technology of superconducting material / H. Hillmann // In book: Superconductor Materials Science: Metallurgy, Fabrication, and Applications. NATO Advanced Study Institutes Series; ed. by S. Foner, B.B. Schwartz. – Boston: Springer, 1981. – V. 68. – P. 275-388. DOI: 10.1007/978-1-4757-0037-4_5.
17. Takahashi, M. Mechanical properties and microstructures of dental cast Ti-6Nb-4Cu, Ti-18Nb-2Cu, and Ti-24Nb-1Cu alloys / M. Takahashi, M. Kikuchi and Y. Takada // Dental Materials Journal – 2016. – V. 35. – I. 4. – P. 564–570. DOI: 10.4012/dmj.2015-354.
18. Zhao, Z. Microstructure, corrosion and anti-bacterial investigation of novel Ti-xNb-yCu alloy for biomedical implant application / Z. Zhao, W. Xu, H. Xin, F. Yu // Journal of Materials Research and Technology. – 2022 – V. 18. – P. 5212-5225. DOI: 10.1016/j.jmrt.2022.04.158.
19. Sato, K. Construction of Ti-Nb-Ti2Cu pseudo-ternary phase diagram / K. Sato, M. Takahashi and Y. Takada // Dental Materials Journal. – 2020. – V. 39. – I. 3. – P. 422-428. DOI: 10.4012/dmj.2018-394.
20. Takahashi, M. Mechanical properties of Ti-Nb-Cu alloys for dental machining applications / M. Takahashi, K. Sato, G. Togawa and Y. Takada // Journal of Functional Biomaterials. – 2022. – V. 13. – I. 4. – Art. № 263. – 12 p. DOI: 10.3390/jfb13040263.
21. Иванов, Ю.Ф. Особенности структурно-фазового состояния пленки на основе высокоэнтропийного сплава AlNbTiZrCu, синтезированной путем осаждения многоэлементной металлической плазмы / Ю.Ф. Иванов, Ю.А. Абзаев, А.А. Клопотов и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2021. – Вып. 13. – С. 693-707. DOI: 10.26456/pcascnn/2021.13.693.
22. Иванов, Ю.Ф. Рентгеновские дифракционные исследования процесса роста тонких пленок высокоэнтропийного сплава TiNbZrTaHfCu in situ с использованием синхротронного излучения / Ю.Ф. Иванов, Ю.Х. Ахмадеев, А.А. Клопотов и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2024. – Вып. 16. – С. 140-153. DOI: 10.26456/pcascnn/2024.16.140
23. Иванов, Ю.Ф. Аморфно-кристаллические борсодержащие покрытия, сформированные ионно-плазменным методом / Ю.Ф. Иванов, А.А. Клопотов, В.В. Шугуров и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2023. – Вып. 15. – С. 725-735. DOI: 10.26456/pcascnn/2023.15.725.

⇐ Предыдущая статья | Содержание | Следующая статья ⇒