The high pressure and high temperature (HPHT) behavior of Ti1-xAlxN coatings on cutting tool inserts have been of interest for this diploma work. A literature study of HPHT techniques as well as measurement methods has been done. A diamond anvil cell (DAC) would be a good device to achieve high pressure and high temperature conditions on small samples. Another way to obtain these conditions would be a cutting test, which has been performed on a Ti1-xAlxN coated cutting tool insert with x = 0.67. Also a cubic press could be used to apply HPHT on a     Ti1-xAlxN sample or a large volume press on a whole cutting tool insert. To measure hardness on thin coatings a nanoindentor could be used, which have been done on heat-treated Ti0.33Al0.67N and TiN samples. X-ray diffraction (XRD) is a suitable method to measure phase composition of a sample and was performed on the cutting tested insert as well as on an untreated reference insert. Three ways to continue this project have been outlined all starting with more comprehensive cutting tests.

Utvecklingen inom materialforskningen går mot att framställa avancerade material vilka är skräddarsydda för olika tillämpningar. Detta har medfört att det blir allt mer populärt att belägga ytor med ett eller flera tunna lager med syfte att förbättra materialegenskaperna. Användningsområden för ytbeläggningar går att hitta inom allt från vardagliga produkter såsom teflonbeläggningar av stekpannor, förgyllning av smycken till avancerad halvledarteknik för att åstadkomma energieffektiva lysdioder. Det enskilt största tillämpningsområdet för tunna filmer är dock som skyddande skikt för verktyg inom skärande bearbetning. Utvecklingen går stadigt mot högre skärhastigheter och därmed ökade temperaturer, idagsläget kan området där verktyget och arbetsmaterialet är i kontakt nå temperaturer på mellan 800-1000 °C utan att förlora nämnvärt i styrka. Detta har gjorts möjligt genom att belägga skären med någon eller några μm (tusendels mm) av lämpligt keramiskt material i avseende att öka motståndskraften för nötning vid bearbetning vid höga temperaturer. I den här avhandlingen har tunna filmer studerats med det övergripande målet att förbättra egenskaper hos verktyg för skärande metallbearbetning genom att öka motståndskraften hos materialen mot mekanisk och kemisk nötning vid höga temperaturer. Materialsystemet som undersökts är Ti-Si-N, där tunna filmer av både legeringar och tvåfassystem har syntetiserats och egenskapskarakteriserats. Legeringarna är belagda med varierande Si-halt från 0 till 10 atomprocent och avsedda för att studera strukturella, termiska och mekaniska egenskaper. De framställdes med en teknik som kallas arcförångning, där man i ett vakuumsystem frigör högenergetiskt material i det här fallet av Ti och Si som förångas från en solid yta kallad target. Atomerna joniseras genom kollisioner med elektroner och reagerar på sin väg mot substratet med kvävgas. Väl framme vid substratet, kondenserar jonerna och bilder den tunna filmen. Filmerna består av två strukturtyper, den första är en fast lösning där Si atomer upp till 5 at.% ersätter Ti atomer i TiN. I det andra fallet så segregerar Si till korngränserna. Värmebehandlingsexperiment visar att Si bildar SiNx som kapslar in TiN-korn vid temperaturer upp till 1000 °C. Hårdhetstester visar att filmerna bibehåller sin hårdhet upp till 1000 °C tack vare fasomvandlingen. Även vid 1100 °C är hårdheten hög. Dessa skikt besitter alltså egenskaper som gör dem väldigt användbara inom tillämpningar för skärande bearbetning. Nanostrukturerade materials egenskaper beror på dess mikrostruktur snarare än på de grundämnen som ingår, detta exemplifieras av TiN-SiNx-nanokompositer bestående av nanokristallina TiN-korn inbäddade i några få atomlager SiNx, där materialegenskaperna helt och hållet beror på kornstorleken på TiN-kornen och tjockleken på SiNx-lagren. Ökas tjockleken på SiNx minskar hårdheten. Dessa filmer har mycket goda mekaniska egenskaper och är ett av de hårdaste materialen som finns. Nyckeln till den höga hårdheten hos skikten ligger i att bilda starka bindningar mellan TiN och SiNx. Hur dessa ser ut vet man dock inte eftersom strukturen på SiNx gränsytan inte är känd. Anledningen är att den är svår att avbilda på grund av dess krökta form och begränsade volym. I denna avhandling har TiN/SiNx multilager belagts, dvs. en lagrad struktur TiN alternerad med SiNx. Dessa filmer framställdes med sputtring, en teknik som liknar arcförångning men där man istället accelerera positivt laddade joner mot Ti och Si targets med en hög negativ potential som frigör Ti och Si. I multilagren varierades SiNx-lagrets tjocklek mellan endast några få atomlager för att göra en förenklad modell av gränsytan hos nanokompositen och med atomupplöst transmissionselektronmikroskopi samt hårdhetsmätningar konstateras sedan att de hårdaste filmerna var de där kristallin SiNx stabiliseras mellan TiNkorn. Vidare studerar jag SiNx/TiN ytor med sveptunnelmikroskopi och täthetsfunktionalteori (en kvantmekanisk simuleringsmetod). Mina resultat visar SiNx och bindningarna till TiN är mycket mer komplicerade än vad man tidigare trott, då de kan vara kristallina och anta komplexa rekonstruktioner. Detta bidrar till den starka bindningen mellan TiN och SiNx vilket i sin tur förklarar varför materialen blir så hårda. / Ti-Si-N and Ti-Al-Si-N thin solid films have been studied by analytical electron microscopy, X-ray diffraction, scanning tunneling microscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, elastic recoil detection analysis, nanoindentation, and ab initio calculations. I find that arc evaporated (Ti1-xSix)Ny films can be grown as cubic solid solutions up to x = 0.09 with a dense columnar microstructure. Films with higher Si content up to x = 0.20 assumes an extremely defect-rich, feather-like structure consisting of cubic TiN:Si nanocrystallite bundles with low-angle grain boundaries caused by thermodynamically driven Si segregation. Correspondingly, the N content in the films increases close to linear with the Si content from y = 1.00 (x = 0) to y = 1.13 (x = 0.20). Annealing of the films at 1000 °C yields a metastable crystalline SiNz (1.0 ≤ z ≤ 1.33) tissue phase in 0.04 ≤ x ≤ 0.20 films which is (semi)-coherent to TiN. These films are compositionally stable and exhibit retained hardness between 31-42 GPa up to 1000 °C. At 1100-1200 °C, the tissue phase amorphizes and all SiNz diffuse out of the films, followed by recrystallization of the cubic phase. Hard turning testing was performed on (Ti0.83Si0.17)N1.09. Analysis of the tool-chip interface prepared by focused ion beam revealed shear deformation in the film and an adhering layer consisting of the work-piece material and Si and N from the film. For (Ti0.33Al0.67)1-xSix)N (0 ≤ x ≤ 0.29) films the NaCl structure cubic (Ti,Al)N solid solution phase is predominant at low Si contents, which gradually changes to a dominating hexagonal wurtzite (Al,Ti,Si)N solid solution for 0.04 ≤ x ≤ 0.17. Additional Si results in amorphization. Annealing experiments at 600-1000 °C yields spinodal decomposition of c-(Al,Ti)N into c-AlN and c-TiN, with corresponding age hardening. The h-(Al,Ti,Si)N films exhibit precipitation of c- TiN with smaller volume than the host lattice, which results in tensile cracks formations and age hardening. Films with c-(Ti,Al)N perform best in turning applications, while films with h- (Al,Ti,Si)N form cracks and fail. Finally, I have characterized the nature of metastable crystalline SiNz phases and the interface between TiN(001) and SiNz. Magnetron sputtering was used to deposit TiN/SiNz(001) nanolaminate films with varying SiNz and TiN layer thicknesses. Maximum hardness is obtained when SiNz forms coherent interfaces with TiN. In addition, in situ surface analyses in combination with ab-initio calculations reveal that SiNz sub-monolayers grow epitaxially and form crystalline reconstructions on TiN(001) and TiN(111) surfaces. Phonon calculations predict that stoichiometric c-SiN is dynamically instable when the atoms are arranged in the NaCl and ZnS forms. However, c-Si3N4 can be stabilized with D022 or L12 ordered ZnS-like structures. These results have impact for the design of superhard nanocomposites and multilayer thin films.

<p>Mechanical property and thermal stability of Zr-Si-N films of varying silicon contents deposited on Al₂O₃ (0001) substrates are characterized. All films provided for characterization were deposited by reactive DC magnetron sputter deposition technique from elemental Zr and Si targets in a N₂/Ar plasma at 800 ^oC. The hardness and microstructures of the as deposited films and post-annealed films up to 1100 ^oC are evaluated by means of nanoindentation, X-ray diffractometry and transmission electron microscopy. The Zr-Si-N films with 9.4 at.% Si exhibit hardness as high as 34 GPa and a strong (002) texture within which vertically elongated ZrN crystallites are embedded in a Si₃N₄ matrix. The hardness of these two dimensional nanocomposite films remains stable up to 1000 ^oC annealing temperatures which is in contrast to ZrN films where hardness degradation occurs already above 800 ^oC. The enhanced thermal stability is attributed to the presence of Si₃N₄ grain boundaries which act as efficient barriers to hinder the oxygen diffusion. X-ray amorphous or nanocrystalline structures are observed in Zr-Si-N films with silicon contents > 13.4 at.%. After the annealing treatments, crystalline phases such as ZrSi₂, ZrO₂ and Zr₂O are formed above 1000 ^oC in the Si-containing films while only zirconia crystallites are observed at 800 ^oC in pure ZrN films because oxygen acts as artifacts in the vacuum furnace. The structural, compositional and hardness comparison of as-deposited and annealed films reveal that the addition of silicon enhances the thermal stability compared to pure ZrN films and the hardness degradation stems from the formation of oxides at elevated temperatures.</p>

Mechanical property and thermal stability of Zr-Si-N films of varying silicon contents deposited on Al2O3 (0001) substrates are characterized. All films provided for characterization were deposited by reactive DC magnetron sputter deposition technique from elemental Zr and Si targets in a N2/Ar plasma at 800 oC. The hardness and microstructures of the as deposited films and post-annealed films up to 1100 oC are evaluated by means of nanoindentation, X-ray diffractometry and transmission electron microscopy. The Zr-Si-N films with 9.4 at.% Si exhibit hardness as high as 34 GPa and a strong (002) texture within which vertically elongated ZrN crystallites are embedded in a Si3N4 matrix. The hardness of these two dimensional nanocomposite films remains stable up to 1000 oC annealing temperatures which is in contrast to ZrN films where hardness degradation occurs already above 800 oC. The enhanced thermal stability is attributed to the presence of Si3N4 grain boundaries which act as efficient barriers to hinder the oxygen diffusion. X-ray amorphous or nanocrystalline structures are observed in Zr-Si-N films with silicon contents &gt; 13.4 at.%. After the annealing treatments, crystalline phases such as ZrSi2, ZrO2 and Zr2O are formed above 1000 oC in the Si-containing films while only zirconia crystallites are observed at 800 oC in pure ZrN films because oxygen acts as artifacts in the vacuum furnace. The structural, compositional and hardness comparison of as-deposited and annealed films reveal that the addition of silicon enhances the thermal stability compared to pure ZrN films and the hardness degradation stems from the formation of oxides at elevated temperatures.