Thermal stability and oxidation resistance of high-entropy sublattice nitrides

Abstract

As the demand for more advanced materials increases, their development needs to proceed. Hard protective coatings allow for increased lifespan of machining tools and more versatile fields of application. Less than two decades ago the world of material science was introduced to the so called “high entropy alloys”(HEAs), a filed that has since then exploded in popularity. Consisting of a solid solution of at least five primary elements in near equiatomic composition, these materials show remarkable promise in revolutionizing the industry. This work focuses on the synthesis of 5 new high entropy alloys as nitrides, oxynitrides and Si-alloyed nitrides, and investigates their performance after being subjected to prolonged high temperature conditions in vacuum and in ambient atmosphere. The basis of this work was provided by the work of Andreas Kretschmer, who simulated 126 different Al-based high entropy nitrides (HENs), 22 of which, through strain stabilization, should delay the onset of the wurtzite AlN phase. Of these 22,5 were chosen for experimental validation. Samples of (Al,Cr,Ti,V,W)N, (Al,Cr,Mo,V,W)N, (Al,Hf,Ti,V,W)N, (Al,Cr,Hf,Ti,V)N, (Al,Cr,Hf,V,Zr)N along with their oxy- and Si-alloyed nitride counterparts were produced via reactive pulsed DC magnetron sputtering, with a pure Al target with the additional metal alloy pieces placed on the racetrack of the target. The experimental part of the study is split in three main sections.The first investigation focused on how the mechanical properties of the nitride coating changed after vacuum annealing for up to 50 h, and how the oxy-nitrides related to those results. None of the samples showed signs of wurtzite phase formation, however samples containing Mo suffered from the formation of volatile oxides. In 3 cases the oxy-nitrides showed higher hardness prior to and after annealing. It was also observed, that the added silicon decreased the hardness and the elastic modulus of the coatings in the as deposited state.The second investigation was aimed towards the oxidation resistance of the coatings, and if the additional silicon could delay the oxidation process. Results how ever showed, that all but one sample became porous and many failed during the oxidation tests. In the case of (Al,Cr,Ti,V,W)N both O- and Si-alloyed nitride proved to prolong the lifetime at higher temperature, with Si clearly showing beneficial effects of creating a dense, slow growing oxide scale. Lastly, a qualitative analysis of fracture toughness was conducted on the nitride and oxynitride samples via cube-corner indentation, showing that increased hardness due to additional oxygen can lead to embrittlement of the coating.

Wie die Nachfrage nach fortschrittlicheren Werkstoffen steigt, muss auch die Industrie, die diese Werkstoffe verarbeitet, mit dieser steigenden Nachfrage Schritt halten. Harte Schichten ermöglichen eine längere Lebensdauer von Bearbeitungswerkzeugen und vielseitigere Anwendungsbereiche. Vor weniger als zwei Jahrzehnten wurde die Welt der Materialwissenschaft mit den so genannten “Hochentropie-Legierungen” bekannt gemacht, ein Wissenschaftsbereich, der seither explosionsartig an Popularität gewonnen hat. Beschichtungen, die aus einer willkürlich angeordneten festen Mischung von mindestens fünf Primärelementen mit nahezu gleichen Anteilen bestehen, versprechen eine Revolution in der Industrie. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Synthese von 5 neuen Hochentropie-Legierungen als Nitride, Oxy-Nitride und Si-legierte Nitride und untersucht deren Verhalten, nachdem sie über längere Zeit hohen Temperaturen unter Vakuum und in Umgebungsatmosphäre ausgesetzt waren. Die Grundlage für diese Arbeit lieferte Andreas Kretschmer, der 126 verschiedene hochentropische Nitride auf Al-Basis simulierte, von denen 22 durch “strain stabilization” den Beginn der Wurtzit-AlN Phase verzögern sollten. Von diesen 22 wurden 5 für die experimentelle Validierung ausgewählt. Proben von (Al,Cr,Ti,V,W)N, (Al,Cr,Mo,V,W)N, (Al,Hf,Ti,V,W)N,(Al,Cr,Hf,Ti,V)N, (Al,Cr,Hf,V,Zr)N sowie deren Gegenstücke aus oxy- und Si-legierten Nitriden wurden durch reaktives gepulstes DC-Magnetron Sputtern hergestellt, wobei ein reines Al-Target mit den zusätzlichen metallischen Legierungsstücken auf dem “racetrack” des Targets platziert wurde. Der experimentelle Teil der Studie ist in drei Hauptabschnitte unterteilt. Die erste Untersuchung konzentrierte sich darauf, wie sich die mechanischen Eigenschaften der Nitridbeschichtung nach Vakuumglühzyklen von bis zu 50 Stunden veränderten, und wie die Oxy-Nitride mit diesen Ergebnissen zusammenhängen. Keine der Proben zeigte Anzeichen von Wurtzitbildung, jedoch litten die Mo-haltigen Proben unter der Bildung von flüchtigen Oxiden. In 3 Fällen zeigten die Oxy-Nitride sowohl vor als auch nach dem Glühen eine höhere Härte. Es wurde auch beobachtet, dass das zulegierte Silizium sowohl die Härte als auch den Elastizitätsmodul der Beschichtungen im “as deposited” Zustand verringerte. Die zweite Untersuchung galt der Oxidationsbeständigkeit der Beschichtungen und der Frage, ob das zusätzliche Silizium die Oxidausbreitung in der Probe verzögern kann. Die Ergebnisse zeigten jedoch, dass alle, bis auf eine Probe porös wurden und viele während der Oxidationstests versagten. Im Fall von (Al,Cr,Ti,V,W)N erwies sich sowohl O- als auch Si-legiertes Nitrid als oxidationshämmend bei höheren Temperaturen, wobei Si eindeutig vorteilhafte Auswirkungen bei der Schaffung einer dichten, langsam wachsenden Oxidschicht zeigte.Schließlich wurde an den Nitrid- und Oxynitridproben eine qualitative Analyse der Bruchzähigkeit mittels “cube-corner indentation” durchgeführt, die zeigte, dass eine erhöhte Härte aufgrund von zusätzlichem Sauerstoff zu einer Versprödung der Beschichtung führen kann