AlCrNbSiTiV高熵合金及其氮化物濺鍍薄膜之研究

On High-Entropy Alloy and Nitride Coatings Sputtered from AlCrNbSiTiV Target

黃炳剛(Ping-Kang Huang)

指導教授 ： 葉均蔚

國立清華大學/工學院/材料科學工程學系/博士(2009年)

摘要

本實驗利用真空電弧熔煉法製備AlCrNbSiTiV六元等莫耳高熵合金靶材，再利用反應式射頻磁控濺鍍法鍍製高熵合金金屬及氮化物薄膜，並探討不同氮氣比例、不同基板溫度以及不同基板偏壓對薄膜微結構與機械性質的影響。此外，對初鍍態氮化物薄膜，施以不同溫度之真空退火5小時，以探討薄膜之高溫熱穩定性。更在WC+Co基板上先鍍覆不同金屬中間層再鍍覆最佳硬度的高熵氮化物薄膜，以求得最佳附著力。最後以具最佳附著力的AlCrNbSiTiV氮化物薄膜鍍覆於拋棄式三角銑刀上，進行304不鏽鋼及SKD61熱模具鋼的切削測試。
實驗結果發現AlCrNbSiTiV合金膜為非晶質結構，隨著氮氣流率的增加，氮化物薄膜均為單一NaCl型FCC結構，且硬度隨之增加並在RN=20%達最高值41 GPa；在基板溫度改變下，氮化物薄膜仍呈現單一FCC結構並無析出相產生，僅晶粒尺寸稍微增加，硬度仍保持在40 GPa；在改變基板偏壓下，薄膜仍呈現單一FCC固溶相，薄膜成長的優選方向由0 V時的(111)平面在50 V之後轉變為(200)平面，晶粒尺寸則由0 V時的53 nm細至-150V時的8 nm，綜合此些影響，氮化物薄膜在氮氬比例28.5%、基板偏壓-100 V、基板溫度300 ℃的製程條件下可達41 GPa的超硬硬度與360 GPa的楊氏係數。
氮化物薄膜具有優越的熱穩定性質，在1000 ℃五小時退火下仍未見分相，顯示高熵效應使單一FCC固溶相為穩定相，此外，晶粒未呈粗化現象因而可使硬度值仍維持約40 GPa的超硬水準，本研究提出新的熱力學分析，證明多元下的晶格扭曲使高角度及低角度晶界都缺乏驅動力造成晶粒粗化。
在附著力方面，以自身金屬(AlCrNbSiTIV)厚度約100 nm作為中間層時可得到最佳的附著力。磨耗速率則隨薄膜硬度與緻密度的增加而減少，基板偏壓為-150 V時可得最佳磨耗速率為1.74×10-6 mm3/Nm。在切削能力方面，與工業上所使用的TiN與TiAlN硬膜相比，AlCrNbSiTiV氮化物薄膜擁有更優越的切削性質。

關鍵字

高熵氮化物 ； 多元氮化物 ； 超硬膜 ； 熱穩定性 ； 高熵合金

參考文獻

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