以反應式直流濺鍍法製備AlBCrSiTi高熵氮化物薄膜及其性質探討

A Study on Nitride Films of AlBCrSiTi High-Entropy alloy by Reactive DC Sputtering

賴思維

指導教授 ： 葉均蔚

國立清華大學/工學院/材料科學工程學系/碩士(2006年)

摘要

本實驗以真空電弧熔煉法製備AlBCrSiTi五元等莫耳高熵合金靶材，再利用反應式直流磁控濺鍍法鍍製高熵合金膜與高熵氮化物薄膜。分別調變不同比例氮氣流量、不同基板溫度、不同基板偏壓等三種製程條件，探討其對於薄膜結構和各種性質之影響。為了測試此高熵氮化物膜的熱穩定性質，將部份試片分別進行600 ℃~1000 ℃不同溫度下大氣與真空2小時退火處理。另外，在M2工具鋼、WC + Co超硬合金兩種不同基板上濺鍍高熵氮化物膜，並事先預鍍上Ni、Cr、Ti不同材質中間層，分別測試初鍍膜狀態與不同中間層條件下薄膜的附著性質。
實驗的結果發現此合金極易鍍得非晶結構，鍍製的高熵合金膜和不同氮氣比例之高熵氮化物膜皆得非晶質結構，當通入氮氣比例超過28.6 %，氮化物膜中的氮高達53 at %。基板溫度500 ℃下的高熵氮化物膜亦呈非晶質結構，但這些非晶質薄膜因共價鍵結比例較少硬度較低，大約在15 ~ 20 GPa之間。在基板溫度500 ℃及施加基板偏壓-150 V以上，薄膜的結構會才由非晶質轉變為混合結構，非晶基地中有單一FCC氮化物結晶相的析出，但晶粒尺寸非常小，大約在1 ~ 3 nm上下，此時硬度則大幅上升至23 ~ 26 GPa。
此高熵氮化膜的熱穩定性及抗氧化性皆有優異的表現，不加偏壓的非晶質氮化膜在退火2小時下超過700 ℃以上，才會轉變為單一FCC氮化物結晶相，至1000 ℃的晶粒大小僅為2 nm，而偏壓-200 V所得的結晶結構在1000 ℃下真空退火2小時仍無晶粒成長，硬度也與初鍍膜狀態一樣甚至小幅提升；在大氣下退火處理，其抗氧化能力優於TiAlN薄膜約100 ℃ ~ 200 ℃。
此氮化物膜鍍在WC + Co超硬合金上的附著力優於鍍製在M2基板上，而採適當的中間層能有效的改善薄膜附著性，在WC + Co超硬合金基板上預鍍上Ti金屬層，可使薄膜附著力大於60 N。

關鍵字

高熵合金 ； 氮化物膜