利用射頻磁控濺鍍法製備六、七、八元高熵氮化物薄膜及其性質探討

A Study on Nitride Films of Six、Seven and Eight Elements High-Entropy Alloy Prepared by RF Magnetron Sputtering

王士維

指導教授 ： 林樹均

國立清華大學/工學院/材料科學工程學系/碩士(2006年)

https://doi.org/10.6843/NTHU.2006.00618

摘要

本實驗以真空電弧熔煉法製備六元AlCrTaTiZrV、七元AlCrTaTiZrVNb和八元AlCrTaTiZrVNbHf等莫耳高熵合金靶材，再利用射頻磁控反應式濺鍍製備高熵合金氮化物薄膜。分別探討不同氮氣流量比率、基板偏壓、元素數量對氮化物薄膜的影響，以及其熱穩定性與附著性質。
研究發現，六元、七元和八元薄膜在未通入氮氣時高熵合金膜為非晶質結構；通入氮氣比率10 %以上開始轉變為FCC的氮化物結晶相。薄膜在10 %的氮氣比率下有最高硬度，其中七元和八元薄膜都有32 GPa以上，而六元也有30 GPa。
七元氮化物薄膜在溫度400度下改變基板偏壓，發現在-75 V時薄膜有最高硬度45 GPa，但是殘留壓縮應力卻高達5.3 GPa，故實驗上選用殘留應力值較小為3.8 GPa的-100 V基板偏壓，此時的硬度也有42 GPa左右，同樣的條件下六元和八元薄膜硬度也都在40 GPa左右。
熱穩定性的部分，使用在製程中為室溫、基板不加偏壓的薄膜，在大氣下六元和七元氮化物薄膜溫度500度開始氧化，而八元氮化物薄膜則在溫度600度以上開始氧化。
另外七元高熵氮化物薄膜附著於M2工具鋼上仍保有40 GPa左右的硬度，但是附著性質不佳。使用Ti、Cr、Ni和TiC當作中間層，並搭配漸層方式改善薄膜附著性。Ti和Cr當做中間層完全不能改善薄膜附著性，而其中以TiC當中間層並漸層的鍍製能有效改善附著性質。
整體而言，七元氮化物薄膜的硬度高於一般商用的TiN和TiAlN，附著於M2基板的能力則在兩者之間。此系統的薄膜在中低溫的模具和刀具上的應用極具潛力。

關鍵字

濺鍍硬膜 ； 硬度 ； 附著性

並列摘要

無資料

並列關鍵字

sputtering hard coating ； hardness ； adhesion

參考文獻

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