Elastische Konstanten von binären und multinären Nitriden

Abstract

Arbeit an der Bibliothek noch nicht eingelangt - Daten nicht geprüftAbweichender Titel nach Übersetzung der Verfasserin/des VerfassersLegierungen mit hoher Entropie (HEA) sind ein neuer Ansatz, um neue und bessere Materialien mit interessanten mechanischen Eigenschaften zu finden. Im Bereich der verschleißbeständigen Hartstoffschichten ist dieses Konzept eher neu, kann aber beispielsweise auf Nitride angewendet werden. Diese Arbeit versucht, einen Vergleich zwischen den mechanischen Eigenschaften von Hoch-Entropie-Nitriden (HEN), gesputtert bei einer hohen Temperatur, und ihrer binären und ternären Gegenstücke zu ziehen. Die hohe Temperatur von 630 °C erlaubt Diffusion der beteiligten Elemente, und dadurch epitaktisches Wachstum sowohl auf MgO-(100)- als auch auf MgO-(110)-Substraten. Eine Untersuchung der Anisotropie der mechanischen Eigenschaften ist damit möglich. Äquimolare metallische Targets, die Refraktärmetalle und Al enthalten, wurden verwendet, um in N2- und Ar-Gas reaktiv zu sputtern. Das Ziel war eine Zusammensetzung mit einem Metall-Stickstoff-Verhältnis von 1:1 und einer Schichtdicke von 2 μm. Zusätzlich wurden ein Si-, ein Austenit und ein polykristallines Al2O3-Substrat verwendet. Die hergestellten Beschichtungen wurden durch energiedispersive Röntgenspektroskopie analysiert, um die chemische Zusammensetzung zu charakterisieren. Die Morphologie der Proben wurde durch Röntgenbeugung und auf einem Querschnitt der Probe durch ein Elektronenmikroskop untersucht. Einige besonders interessante Proben wurden mit Elektronenrückstreubeugung und im Transmissionselektronenmikroskop weiter charakterisiert. Zur Bestimmung der Härte und des E-Moduls der Proben wurden Nanoindentations-Tests durchgeführt. Schließlich wurden Cube-corner Eindrücke durchgeführt, um die Bruchzähigkeit zu beurteilen. Epitaxisches Wachstum war für fast alle untersuchten Materialien möglich und konnte durch mehrere Morphologie-Untersuchungen untermauert werden. Die Proben wiesen alle eine Härte von über 20 GPa auf, die härtesten Beschichtungen erreichten sogar Werte von 40 bis 43 GPa. Die Bruchzähigkeit zeigte einen Trend zu höheren Werten für weichere Materialien. Besonders HENs zeigten bereits bei geringen Kräften Risse und versagten bei hohen Belastungen katastrophal. Reaktiv gesputterte epitaktische HEN weisen eine ausgezeichnete Härte auf und ihre Bruchzähigkeit ist vergleichbar mit den gleich harten binären und ternären Nitriden. Künftige Untersuchungen werden mehr Klarheit über die physikalischen Mechanismen in diesen Materialien bringen und sie für eine Anwendung als neue Hartstoffbeschichtungen vorbereiten.High entropy alloys (HEA) are a new approach to find new and better materials having enhanced mechanical properties. In the field of hard coatings for wear resistance this concept is rather new, but can be applied for example to nitrides prepared by sputtering. This work tries to answer the question, how the mechanical properties of multinary high entropy nitrides (HEN) compare to heir binary and ternary counterparts when sputtered at an elevated temperature of 630 °C. This should allow for diffusion of the involved elements, epitaxial growth on both MgO-(100)- and MgO-(110)-substrates and therefore a study of the anisotropy of the mechanical properties. Equimolar metallic targets containing refractory metals and Al were used to reactively sputter in N2 and Ar gas aiming for a composition with a metal to nitrogen ratio of 1:1 and a coating thickness of 2 μm. Additionally a Si-, an austenite and a polycrystalline Al2O3-substrate were employed and alloying was achieved with metal pieces laid directly on the target. The produced coatings were analysed by energy dispersive x-ray spectroscopy to characterise the chemical composition. the samples' morphology was investigated by x-ray diffraction and with a cross section of the coating with electron microscopy. Some especially interesting samples were further examined in electron backscatter diffraction and Transmission Electron Microscopy. Nanoindentation tests were used to determine hardness and Young`s modulus of the samples. Finally cube corner indentation tests were carried out to assess fracture toughness in a semi-quantitative way. Epitaxial growth was possible for nearly all investigated materials and could be underpinned by multiple morphology-investigations. The samples all exhibited a hardness of over 20 GPa, the hardest coatings even reached values as high as 40 to 43 GPa. Fracture toughness showed a trend to higher values for softer materials. Especially HEN cracked at already low forces and failed catastrophically under high loads. Reactively sputtered epitaxial HEN show excellent hardness and their fracture toughness is comparable to the equally hard binary and ternary nitrides. Future investigations will bring more clarity on the physical mechanisms in these materials and prepare them for an application as new hard coatings.8