Micromechanics of quaternary AICrSiN coatings on hard substrates
Authors:   , Liang Jing 
Published: November 2024

(English) AlCrSiN quaternary coatings are extensively utilized in the tool industry due to their outstanding mechanical performance as protective coatings. These coatings are formed by introducing elements of Al and Si to enhance the mechanical properties of the CrN binary coating. Among various methods, physical vapor deposition (PVD) is widely employed in the cutting tool industry to improve the performance of hard materials. In this doctoral thesis, AlCrSiN quaternary coatings were prepared using PVD and deposited on substrates with different hardness levels.
The thesis investigates the mechanical performance of AlCrSiN quaternary coatings deposited on two soft substrates after undergoing thermal treatment to simulate service conditions. The hardness and elastic modulus of the AlCrSiN coating increased when deposited on all substrates at a lower temperature of 500°C. However, these properties decreased at a higher temperature of 800°C, indicating material degradation. Compared to AlTiSiN coating, ACrSiN coating samples exhibited lower adhesion and larger spalled areas after all thermal treatments. Among the substrates, the coatings deposited on Inconel 718 demonstrated significantly better mechanical performance, particularly at high temperatures.
In the second part, a comparative study of the mechanical performance was conducted on AlCrSiN quaternary coatings deposited on two hard substrates: WC-Co and cBN. The crystalline structure of the AlCrSiN coating was not influenced by the substrates in terms of intrinsic hardness and elastic modulus. AlCrSiN coating deposited on the WC- Co substrate exhibited better adhesion compared to the coating on the cBN substrate, irrespective of the load conditions. The results of the mechanical response under Hertzian loads revealed that AlCrSiN coating deposited on WC-Co substrate demonstrated superior resistance to both monotonic and cyclic loads compared to the coating on cBN substrates. The difference in the mechanical performance of the AlCrSiN coating on substrates with varying hardness depended on both the adhesion strength and the distinct mechanical performance of the substrate.
The final part of the thesis focused on the effect of Zr/Ta ion implantation on the mechanical properties of AlCrSiN quaternary coatings deposited on the hard WC-Co substrate. Both Zr and Ta ion implantations led to a decrease in hardness and elastic modulus. The analysis of X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) revealed a transformation of the metal bonding from Al-Al and Cr-Cr to Al-N and Cr-N metal nitride chemical bonding, respectively. The crystalline structure of the AlCrSiN coating remained relatively unchanged, maintaining a (Cr,Al)N solid solution, regardless of ion implantation. Additionally, a small amount of zb-AlN was detected in the case of Zr ion implantation. The adhesion strength between the coating and substrate improved after ion implantation, with Ta ion implantation exhibiting the best performance.

(Català) Els recobriments quaternaris d'AlCrSiN són àmpliament utilitzats en la indústria de les eines a causa del seu excel·lent rendiment mecànic com a recobriment protector. La formació del recobriment quaternari d'AlCrSiN es basa en el recobriment binari de CrN introduint elements d'Al i Si per millorar les propietats mecàniques. La deposició física de vapor (PVD) és un dels mètodes més utilitzats i comercials en l'eina de tall per millorar el rendiment dels materials durs a causa de les seves propietats destacables. En aquesta tesi doctoral, es va preparar i depositar un recobriment quaternari d'AlCrSiN mitjançant PVD sobre substrats amb diferents graus de duresa.
En la tesi s'investiga el rendiment mecànic dels recobriments quaternaris d'AlCrSiN depositats en dos substrats tous després d'un tractament tèrmic per simular condicions de servei. La duresa i el mòdul elàstic del recobriment d'AlCrSiN van augmentar amb tots els substrats depositats a una temperatura més baixa de 500 °C, però van disminuir a una temperatura més alta de 800 °C, la qual cosa indica una degradació dels materials. Les mostres de recobriment d'ACrSiN van presentar una menor adherència que el recobriment d'AlTiSiN per a tots els tractaments tèrmics, amb àrees desprendides més grans. Pel que fa als substrats, els recobriments depositats sobre Inconel 718 van mostrar un rendiment mecànic notablement millor després del tractament tèrmic en ambdós casos, associat al seu millor rendiment a altes temperatures.
En la següent part, es va realitzar un estudi comparatiu del rendiment mecànic del recobriment quaternari d'AlCrSiN depositat en dos substrats durs: WC-Co i cBN. L'estructura cristal·lina del recobriment d'AlCrSiN no es va veure afectada pels substrats en termes de duresa intrínseca i mòdul elàstic. El recobriment d'AlCrSiN depositat en el substrat de WC-Co va presentar una millor adherència que el depositat en el substrat de cBN, independentment de la càrrega. Els resultats de la resposta mecànica sota càrregues Hertzianes van revelar que el recobriment d'AlCrSiN depositat en el substrat de WC-Co va mostrar una resistència superior a les càrregues monòtones i cícliques en comparació amb els substrats de cBN. La diferència en el rendiment mecànic del recobriment d'AlCrSiN depositat en substrats de diferent duresa va dependre tant de la força d'adherència com del rendiment mecànic distintiu del substrat.
La part final de la tesi es va centrar en l'efecte de la implantació d'ions de Zr/Ta en les propietats mecàniques del recobriment quaternari d'AlCrSiN depositat en el substrat dur de WC-Co. Tant la implantació d'ions de Zr com de Ta van introduir una disminució de la duresa i el mòdul elàstic. L'anàlisi de l'espectroscòpia fotoelectrònica de raigs X (XPS) va revelar que les unions metàl·liques tant d'Al-Al com de Cr-Cr es van transformar en unions químiques de nitrit metàl·lic Al-N i Cr-N, respectivament. L'estructura cristal·lina del recobriment d'AlCrSiN es va mantenir similar, com una solució sòlida de (Cr,Al)N, independentment de la implantació d'ions. En el cas de la implantació d'ions de Zr, es va detectar una petita quantitat de zb-AlN. La força d'adherència entre el recobriment i el substrat va millorar després de la implantació d'ions, essent la implantació d'ions de Ta la que va presentar el millor rendiment.

(Español) Los recubrimientos cuaternarios de AlCrSiN son ampliamente utilizados en la industria de herramientas debido a su excelente rendimiento mecánico como recubrimiento protector. La formación del recubrimiento cuaternario de AlCrSiN se basa en el recubrimiento binario de CrN mediante la introducción de elementos de Al y Si para mejorar las propiedades mecánicas. La deposición física de vapor (PVD) es uno de los métodos más utilizados y comerciales en la herramienta de corte para mejorar el rendimiento de los materiales duros debido a sus propiedades destacadas. En esta tesis doctoral, se preparó y depositó un recubrimiento cuaternario de AlCrSiN mediante PVD sobre sustratos con diferentes grados de dureza.
En la tesis se investiga el rendimiento mecánico de los recubrimientos cuaternarios de AlCrSiN depositados en dos sustratos blandos después de un tratamiento térmico para simular condiciones de servicio. La dureza y el módulo elástico del recubrimiento de AlCrSiN aumentaron con todos los sustratos depositados a una temperatura más baja de 500 °C, sin embargo, disminuyeron a una temperatura más alta de 800 °C, lo que significa una degradación de los materiales. Las muestras de recubrimiento de ACrSiN presentaron una menor adherencia que el recubrimiento de AlTiSiN para todos los tratamientos térmicos, con áreas desprendidas más grandes. En cuanto a los sustratos, los recubrimientos depositados sobre Inconel 718 mostraron un rendimiento mecánico notablemente mejor después del tratamiento térmico en ambos casos, lo cual está asociado con su mejor rendimiento a altas temperaturas.
En la parte siguiente, se llevó a cabo un estudio comparativo del rendimiento mecánico del recubrimiento cuaternario de AlCrSiN depositado en dos sustratos duros: WC-Co y cBN. La estructura cristalina del recubrimiento de AlCrSiN no se vio afectada por los sustratos en términos de dureza intrínseca y módulo elástico. El recubrimiento de AlCrSiN depositado en el sustrato de WC-Co presentó una mejor adherencia que el depositado en el sustrato de cBN, independientemente de la carga. Los resultados de la respuesta mecánica bajo cargas Hertzianas mostraron que el recubrimiento de AlCrSiN depositado en el sustrato de WC-Co presenta una resistencia superior a las cargas monotónicas y cíclicas en comparación con los sustratos de cBN. La diferencia en el rendimiento mecánico del recubrimiento de AlCrSiN depositado en sustratos de diferente dureza depende tanto de la fuerza de adherencia como del rendimiento mecánico distintivo del sustrato.
La parte final se centró en el efecto de la implantación de iones de Zr/Ta en las propiedades mecánicas del recubrimiento cuaternario de AlCrSiN depositado sobre el sustrato duro de WC-Co. Tanto la implantación de iones de Zr como de Ta introducen una degradación de la dureza y el módulo elástico. El análisis de espectroscopía fotoelectrónica de rayos X (XPS) reveló que los enlaces metálicos tanto de Al-Al como de Cr-Cr se transformaron en enlaces químicos de nitruro metálico Al-N y Cr-N, respectivamente. La estructura cristalina del recubrimiento de AlCrSiN se mantuvo similar, como una solución sólida de (Cr,Al)N, independientemente de la implantación de iones. En el caso de la implantación de iones de Zr, se detectó una pequeña cantidad de zb-AlN. La fuerza de adherencia entre el recubrimiento y el sustrato mejoró después de la implantación de iones, siendo la implantación de iones de Ta la que presentó el mejor rendimiento.