Phase formation and mechanical properties of AlMgB14 thin films

Abstract

AlMgB14 is one of the most promising thin film materials for industrial use as protective coating for cutting tools and high-temperature components. Therefore, in this work, we use PVD to synthesize AlMgB14 coatings at substrate temperatures ranging from 300 to 600 °C to get detailed information about the morphology, and mechanical properties of the prepared samples. Independent on the applied substrate temperature (Ts), the coating exhibited an amorphous structure growing with a rate of 52 to 60 nm/min. The hardness and Young's modulus increase with increasing substrate temperature from 29.3 ± 1.6 GPa to 35.3 ± 1.0 GPa and from 373 ± 17 GPa to 413 ± 8 GPa respectively. All the coatings exhibit residual stresses varying between -2 GPa and -3 GPa and are thus almost independent of the substrate temperature. As the substrate temperature increases, the fracture toughness also increases, exhibiting a value of 3.72 ± 0.46 MPa√m for Ts = 300 °C and a force of 250 mN, and 5.15 ± 0.22 MPa√m for Ts = 600 °C, respectively. After analyzing the properties of the layers in their as deposited state, annealing tests were carried out with the most promising sample (Ts = 600 °C). Upon vacuum annealing the samples between 850 and 1050 °C for 20 min, the hardness as well as the indentation modulus show a slight increase of 1 GPa and 50 GPa, respectively, but remained amorphous.

AlMgB14 ist eines der vielversprechendsten Dünnschichtmaterialien für den industriellen Einsatz als Schutzschicht für Schneidwerkzeuge und Hochtemperaturkomponenten. Daher verwenden wir in dieser Arbeit physikalische Gasphasenabscheidung (PVD), um AlMgB14-Beschichtungen bei Substrattemperaturen von 300 bis 600 °C zu synthetisieren und detaillierte Informationen über die Morphologie und die mechanischen Eigenschaften der hergestellten Proben zu erhalten. Unabhängig von der angewandten Substrattemperatur (Ts) wies die Beschichtung eine amorphe Struktur auf, die mit einer Wachstumsrate von 52 bis 60 nm/min wuchs. Mit zunehmender Substrattemperatur steigt die Härte von 29.3 ± 1.6 GPa auf 35.3 ± 1.0 GPa und der Elastizitätsmodul von 373 ± 17 GPa auf 413 ± 8 GPa. Alle Beschichtungen weisen Eigenspannungen auf, die zwischen -2 und -3 GPa schwanken und nahezu unabhängig von der Substrattemperatur sind. Mit steigender Substrattemperatur nimmt auch die Bruchzähigkeit zu, die bei Ts = 300 °C und einer Kraft von 250 mN einen Wert von 3,72 ± 0,46 MPa√m und bei Ts = 600 °C einen Wert von 5,15 ± 0,22 MPa√m aufweist. Nach der Analyse der Eigenschaften der Schichten in deren Herstellungszustand wurde die vielversprechendste Probe (Ts = 600 °C) im Bereich zwischen 850 und 1050 °C vakuumgeglüht für 20 min. Nach dem Glühen zeigte diese Probe weiterhin eine amorphe Struktur aber eine um ca. 1 GPa höhere Härte und einen um ca. 50 GPa höheren Elastizitätsmodul.