Механизмы атомной диффузии кислорода и азота в TiN

Для интерметаллических сплавов типичным является более медленная скорость роста оксидной пленки при окислении в кислороде, по сравнению с атмосферой, что связывают с образованием сплошной защитной пленки оксида, которая становится барьером для кислорода и препятствует дальнейшему окислению. Этот эффект особенно ярко выражен, если образуется оксид алюминия. В случае сплавов на основе титана и алюминия, при окислении которых на поверхности формируются смешанные оксиды этих элементов, имеет место обратная тенденция. При этом в некоторых экспериментах при окислении на воздухе было обнаружено формирование нитрида титана на границе раздела между оксидной пленкой и сплавом.

Сотрудниками лаборатории физики нелинейных сред ИФПМ СО РАН теоретическими методами изучена диффузия кислорода и азота в TiN. Было рассмотрено два случая, когда атомы диффундируют по междоузлиям и по подрешетке азота, и для обоих механизмов были рассчитаны коэффициенты диффузии. Сложность подобных расчетов заключается в том, что коэффициент диффузии и энергия активации сильно зависят от концентрации диффундирующих атомов в междоузлиях в первом случае или от концентрации вакансий азота во втором. Тем не менее, авторам удалось показать, что при температурах ниже 1500 ºC реализуется междоузельный механизм диффузии азота, тогда как при более высоких температурах доминирующим является вакансионный механизм, при этом рассчитанные энергии активации и значения коэффициентов диффузии согласуются с экспериментом. Для кислорода значения коэффициента диффузии в рамках обоих механизмов в пределе высоких концентраций вакансий сопоставимы с экспериментальными значениями для TiO₂, тогда как значения, полученные в пределе низких концентраций, остаются на несколько порядков выше, чем в Al₂O₃. Последний результат указывает на то, что при окислении Ti-Al сплавов исполнять роль диффузионного барьера может пленка нитрида титана.

Рисунок – Коэффициент диффузии азота (слева) и кислорода (справа): междоузельный механизм в идеальном TiN (1) и в присутствие нетермических дефектов внедрения (2); вакансионный механизм в TiN_1.0 (3), в TiN_0.6 без учета рекомбинации (4) и с ним (5); экспериментальные значения в TiN (6–8), Al₂O₃ (9) и TiO₂ (10). Заливкой показаны области, в которых может лежать коэффициент диффузии в зависимости от концентрации дефектов

Работа выполнена в рамках государственного задания ИФПМ СО РАН, проект FWRW-2022-0001.

Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Mesomechanics:

Bakulin A.V., Chumakova L.S., Kulkova S.E. Oxygen and nitrogen diffusion in titanium nitride // Physical Mesomechanics. – 2025. – Vol. 28, No. 1. – P. 55–65.