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研究生:張境芳
論文名稱:Al-Cr-Nb-Si-Ta高熵氮化膜之開發研究
論文名稱(外文):Study on Al-Cr-Nb-Si-Ta High-Entropy Nitride Films
指導教授:葉均蔚
學位類別:碩士
校院名稱:國立清華大學
系所名稱:材料科學工程學系
學門:工程學門
學類:材料工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2013
畢業學年度:101
語文別:中文
論文頁數:164
中文關鍵詞:高熵合金氮化膜磁控濺鍍
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本實驗利用真空電弧熔煉法製備非等莫耳 Al-Cr-Nb-Si-Ta 高熵合
金靶材,再利用反應式直流磁控濺鍍法鍍製高熵金屬及氮化物薄膜,
研究不同氮氣流率及基板偏壓下對薄膜微結構及機械性質的影響。 此
外, 對不同氮氣流率及基板偏壓變量之薄膜進行大氣退火試驗以探討
薄膜之抗氧化性,並將擁有最佳硬度值與抗氧化性之薄膜進行真空退
火測試其高溫熱穩定性。更在 WC-Co 基板上先鍍覆不同金屬中間層
再鍍覆上最佳參數之高熵氮化膜,以求最佳附著力,最後以具最佳附
著力的 Al-Cr-Nb-Si-Ta 氮化膜鍍覆於拋棄式三角銑刀上,進行 SKD11
模具鋼的切削測試。
實驗結果發現 Al-Cr-Nb-Si-Ta 氮化物薄膜結構呈現單一 FCC 相
(B1-NaCl)。並改變不同參數變量後,於最佳製程條件下氮化膜擁有
最高硬度值及最佳抗氧化性,其中抗氧化性較本實驗室所研究過的系
統優異許多。且此氮化物薄膜亦具有優越的熱穩定性,在
1000
o
C 兩
小時真空退火下仍未見分相,顯示高熵效應使單一 FCC 結構為穩定
相,此外,晶粒尺寸未有明顯粗化現象,因此使得薄膜硬度值仍維持
高硬度表現。
將高熵氮化膜與傳統四元(Al
40
Cr50
Si
10)N 薄膜作比較,高熵氮化
膜有晶粒細及緻密微結構之表現 ,且由於高熵薄膜具有緻密微結構及
高壓縮殘留應力,比(Al
40
Cr50
Si
10)N 薄膜硬度高出許多。但是亦發現
(Al
40
Cr50
Si
10)N 薄膜抗氧化性較高熵氮化膜好,可歸因組成元素 Al、
Cr 及 Si 皆為抗氧化元素,然而此膜有在高溫大氣退火後有表面龜裂
的現象,將不利於切削壽命。
在附著力方面 ,利用鍍覆中間層使高熵氮化膜與基板間具有最佳
附著力,並以此進行切削試驗,與 TiN 、TiAlN 及(Al
40
Cr50
Si
10)N 薄膜
比較,鍍覆 Al-Cr-Nb-Si-Ta 氮化膜之切削性質優於(Al
40
Cr50
Si
10)N 薄
膜及商用 TiN 、 TiAlN 薄膜,因此可知即便(Al
40
Cr50
Si
10)N 擁有較佳的
抗氧化性 ,但由於在氧化過程中會在薄膜表面形成裂縫,確實對切削
性質帶來不良的影響,而高熵氮化膜由於具有較高的硬度值、抗氧化
性及熱穩定性且氧化後薄膜結構仍非常緻密等優越性質,因此擁有最
佳的耐切削能力。
致謝 .......................................................................................................... I
摘要 ....................................................................................................... IV
目錄 ....................................................................................................... VI
圖目錄 ................................................................................................... XI
表目錄 ................................................................................................ XIX
第一章 前言 .............................................................................................. 1
第二章 文獻回顧 ...................................................................................... 4
2.1 氮化物硬膜之發展與研究 ............................................................ 4
2.2 反應式直流磁控濺鍍 .................................................................. 10
2.2.1 濺鍍原理 ................................................................................ 10
2.2.2 直流濺鍍 ................................................................................ 11
2.2.3 磁控濺鍍 ................................................................................ 11
2.2.4 反應式濺鍍 ............................................................................ 13
2.3 高熵合金發展 .............................................................................. 16
2.3.1 高熵合金之定義 .................................................................... 16
2.3.2 高熵合金的特點 .................................................................... 17
2.4 高熵氮化物回顧整理 .................................................................. 21
VII
第三章 實驗步驟 .................................................................................... 25
3.1 實驗設計 ...................................................................................... 25
3.2 靶材製備 ...................................................................................... 26
3.3 薄膜製備 ...................................................................................... 31
3.3.1 基板選擇 ................................................................................ 31
3.3.2 基板前處理 ............................................................................ 31
3.3.3 薄膜製備 ................................................................................ 31
3.4 薄膜性質分析 .............................................................................. 37
3.4.1 成份分析 ................................................................................ 37
3.4.2 晶體結構分析 ........................................................................ 37
3.4.3 表面形貌及微結構分析 ........................................................ 38
3.4.4 表面粗糙度分析 .................................................................... 38
3.5 機械性質分析 .............................................................................. 41
3.5.1 薄膜應力分析 ........................................................................ 41
3.5.2 硬度與楊氏模數分析 ............................................................ 42
3.5.3 薄膜電阻率分析 .................................................................... 42
3.5.4 附著性質分析 ........................................................................ 43
3.5.5 磨耗性質分析 ........................................................................ 43
VIII
3.5.6 切削測試 ................................................................................ 44
3.6 薄膜抗氧化性及熱穩定性分析 .................................................. 51
3.6.1 抗氧化性分析 ........................................................................ 51
3.6.2 熱穩定性分析 ........................................................................ 51
第四章 結果與討論 ................................................................................ 52
4.1 靶材結構與成份分析 .................................................................. 52
4.2 不同氮氣流率對(Al-Cr-Nb-Si-Ta)N 薄膜的影響 ...................... 56
4.2.1 濺鍍速率與成份分析 ............................................................ 56
4.2.2 晶體結構分析 ........................................................................ 57
4.2.3 表面形貌與微結構分析 ........................................................ 59
4.2.4 薄膜殘留應力 ........................................................................ 60
4.2.5 薄膜硬度與楊氏模數 ............................................................ 61
4.2.6 薄膜電阻率 ............................................................................ 62
4.3 不同基板偏壓對(Al-Cr-Nb-Si-Ta)N 薄膜的影響 ...................... 70
4.3.1 濺鍍速率與成份分析 ............................................................ 70
4.3.2 晶體結構分析 ........................................................................ 71
4.3.3 表面形貌與微結構分析 ........................................................ 73
4.3.4 薄膜表面粗糙度 .................................................................... 73
IX
4.3.5 薄膜殘留應力 ........................................................................ 74
4.3.6 薄膜硬度與楊氏模數 ............................................................ 75
4.3.7 薄膜電阻率 ............................................................................ 76
4.4 (Al-Cr-Nb-Si-Ta)N 薄膜抗氧化性分析 ...................................... 86
4.4.1 不同氮氣流率下薄膜之抗氧化性質 .................................... 86
4.4.2 不同基板偏壓下薄膜之抗氧化性質 .................................... 87
4.4.3 (Al-Cr-Nb-Si-Ta)N 薄膜抗氧化性質之最佳參數 ................ 89
4.5 (Al-Cr-Nb-Si-Ta)N 薄膜熱穩定性分析 ...................................... 99
4.5.1 晶體結構分析 ........................................................................ 99
4.5.2 表面形貌與微結構分析 ...................................................... 100
4.5.3 薄膜硬度與楊氏模數 .......................................................... 101
4.6 (Al-Cr-Nb-Si-Ta)N 薄膜附著力與磨耗性質分析 .................... 105
4.6.1 (Al-Cr-Nb-Si-Ta)N 薄膜附著力測試 .................................. 105
4.6.2 (Al-Cr-Nb-Si-Ta)N 薄膜磨耗測試 ...................................... 107
4.7 (Al-Cr-Nb-Si-Ta)N 薄膜切削測試 ............................................ 114
4.8 不同氮氣流率對(Al
40
Cr50
Si
10)N 薄膜的影響 .......................... 122
4.8.1 濺鍍速率與成份分析 .......................................................... 122
4.8.2 晶體結構分析 ...................................................................... 123
X
4.8.3 表面形貌與微結構分析 ...................................................... 124
4.8.4 薄膜殘留應力 ...................................................................... 125
4.8.5 薄膜硬度與楊氏模數 .......................................................... 125
4.8.6 薄膜電阻率 .......................................................................... 126
4.9 (Al-Cr-Nb-Si-Ta)N 與(Al
40
Cr50
Si
10)N 薄膜性質比較 .............. 134
4.9.1 濺鍍速率 .............................................................................. 134
4.9.2 表面形貌與微結構 .............................................................. 134
4.9.3 薄膜殘留應力 ...................................................................... 135
4.9.4 薄膜硬度與楊氏模數 .......................................................... 136
4.9.5 薄膜電阻率 .......................................................................... 136
4.9.6 抗氧化性質 .......................................................................... 137
4.9.7 切削性質比較 ...................................................................... 138
第五章 結論 .......................................................................................... 152
第六章 本研究之貢獻 .......................................................................... 156
第七章 未來研究方向 .......................................................................... 157
第八章 參考文獻 .................................................................................. 158
[1] 謝明曉,“(AlCrNbSiTi)N 薄膜田口法最佳化之研究”, 國立清華
大學材料科學工程研究所碩士論文 (2011).
[2] S. Veprek, Journal of Vacuum Science & Technology A, 17 (1999), pp.
2401-2420.
[3] J. Musil, J. Vlcek, Surface & Coatings Technology, 142 (2001), pp.
557-566.
[4] J.S. Koehler, Physical Review B, 2 (1970), pp. 547-&.
[5] J. Musil, Surface & Coatings Technology, 125 (2000), pp. 322-330.
[6] S. Zhang, D. Sun, Y.Q. Fu, H.J. Du, Surface & Coatings Technology,
167 (2003), pp. 113-119.
[7] T.G. Nieh, J. Wadsworth, Scripta Metallurgica Et Materialia, 25
(1991), pp. 955-958.
[8] K. Lu, Materials Science & Engineering R-Reports, 16 (1996), pp.
161-221.
[9] S. Veprek, A. Niederhofer, K. Moto, T. Bolom, H.D. Mannling, P.
Nesladek, G. Dollinger, A. Bergmaier, Surface & Coatings Technology,
133 (2000), pp. 152-159.
[10] D. Smith, Thin-Film Deposition: Principles and Practice, 1995.
[11] S. Berg, T. Nyberg, Thin Solid Films, 476 (2005), pp. 215-230.
[12] J.W. Yeh, S.K. Chen, S.J. Lin, J.Y. Gan, T.S. Chin, T.T. Shun, C.H.
Tsau, S.Y. Chang, Advanced Engineering Materials, 6 (2004), pp.
299-303.
[13] M.R. Chen, S.J. Lin, J.W. Yeh, S.K. Chen, Y.S. Huang, M.H. Chuang,
Metallurgical and Materials Transactions a-Physical Metallurgy and
Materials Science, 37A (2006), pp. 1363-1369.
159
[14] S. Ranganathan, Current Science, 85 (2003), pp. 1404-1406.
[15] P.K. Huang, J.W. Yeh, T.T. Shun, S.K. Chen, Advanced Engineering
Materials, 6 (2004), pp. 74-78.
[16] C.Y. Hsu, J.W. Yeh, S.K. Chen, T.T. Shun, Metallurgical and
Materials Transactions a-Physical Metallurgy and Materials Science, 35A
(2004), pp. 1465-1469.
[17] T.T. S, T.K. Chen, J.W. Yeh, M.S. Wong, Surf. Coat. Tech., (2004),
pp. 188-189.
[18] J.W. Yeh, S.K. Chen, J.Y. Gan, S.J. Lin, T.S. Chin, T.T. Shun, C.H.
Tsau, S.Y. Chang, Metallurgical and Materials Transactions a-Physical
Metallurgy and Materials Science, 35A (2004), pp. 2533-2536.
[19] C.J. Tong, M.R. Chen, S.K. Chen, J.W. Yeh, T.T. Shun, S.J. Lin, S.Y.
Chang, Metallurgical and Materials Transactions a-Physical Metallurgy
and Materials Science, 36A (2005), pp. 1263-1271.
[20] C.J. Tong, Y.L. Chen, S.K. Chen, J.W. Yeh, T.T. Shun, C.H. Tsau, S.J.
Lin, S.Y. Chang, Metallurgical and Materials Transactions a-Physical
Metallurgy and Materials Science, 36A (2005), pp. 881-893.
[21] Y.Y. Chen, T. Duval, U.D. Hung, J.W. Yeh, H.C. Shih, Corrosion
Science, 47 (2005), pp. 2257-2279.
[22] Y.Y. Chen, U.T. Hong, H.C. Shih, J.W. Yeh, T. Duval, Corrosion
Science, 47 (2005), pp. 2679-2699.
[23] Y.Y. Chen, U.T. Hong, J.W. Yeh, H.C. Shih, Scripta Materialia, 54
(2006), pp. 1997-2001.
[24] M.R. Chen, S.J. Lin, J.W. Yeh, S.K. Chen, Y.S. Huang, C.P. Tu,
Materials Transactions, 47 (2006), pp. 1395-1401.
[25] J.M. Wu, S.J. Lin, J.W. Yeh, S.K. Chen, Y.S. Huang, Wear, 261
(2006), pp. 513-519.
[26] Y.Y. Chen, T. Duval, U.T. Hong, J.W. Yeh, H.C. Shih, L.H. Wang,
J.C. Oung, Materials Letters, 61 (2007), pp. 2692-2696.
160
[27] U.S. Hsu, U.D. Hung, J.W. Yeh, S.K. Chen, Y.S. Huang, C.C. Yang,
Materials Science and Engineering a-Structural Materials Properties
Microstructure and Processing, 460 (2007), pp. 403-408.
[28] C.C. Tung, J.W. Yeh, T.T. Shun, S.K. Chen, Y.S. Huang, H.C. Chen,
Materials Letters, 61 (2007), pp. 1-5.
[29] C.H. Lai, K.H. Cheng, S.J. Lin, J.W. Yeh, Surface & Coatings
Technology, 202 (2008), pp. 3732-3738.
[30] M.H. Tsai, C.W. Wang, C.H. Lai, J.W. Yeh, J.Y. Gan, Applied
Physics Letters, 92 (2008).
[31] R.A. Swalin, John Wiley & Sons, Inc., (1972).
[32] I.H.R. Kelsall, M. Geoghegan, John Wiley & sons, Ltd., Weat Sussex,
England, (2005).
[33] 張慧紋,“以反應式直流濺鍍法製備 Al-Cr-Mo-Si-Ti 高熵氮化物
薄膜及其性質探討”, 國立清華大學材料科學工程研究所碩士論文
(2005).
[34] 賴思維,“以反應式直流濺度法製備 AlBCrSiTi 高熵氮化物薄膜
及其性質探討”, 國立清華大學材料科學工程研究所碩士論文
(2006).
[35] 賴加瀚,“Al-Cr-Ta-Ti-Zr-N 多元氮化物薄膜之製備與性質研究”,
國立清華大學材料科學工程研究所博士論文 (2007).
[36] 黃炳剛,“AlCrNbSiTiV 高熵合金及其氮化物濺鍍薄膜之研究”,
國立清華大學材料科學工程研究所博士論文 (2009).
161
[37] W.J. Shen, M.H. Tsai, Y.S. Chang, J.W. Yeh, Thin Solid Films, 520
(2012), pp. 6183-6188.
[38] 曾思蒨,“以反應式直流濺鍍法製備 AlCrNbSiTa 高熵氮化物薄
膜及其性質探討”, 國立清華大學材料科學工程研究所碩士論文
(2012).
[39] W.B. Pearson, Crystal chemistry and physics of metals and alloys,
Wiley, 1972.
[40] H.O. Pierson, Handbook of refractory carbides and nitrides, Noyes
Publications, New Jersey, 1996.
[41] C.T. Lynch, CRC Handbook of Materials Science, Volume II:
Material Composites and Refractory Materials, 1975.
[42] M. Larsson, M. Olsson, P. Hedenqvist, S. Hogmark, Surface
Engineering, 16 (2000), pp. 436-444.
[43] 李奇澤,“銅薄膜應力疏散機制的探討”, 國立清華大學材料科
學工程研究所碩士論文 (2000).
[44] M. Larsson, M. Bromark, P. Hedenqvist, S. Hogmark, Surface &
Coatings Technology, 76 (1995), pp. 202-205.
[45] C. Friedrich, G. Berg, E. Broszeit, C. Berger, Thin Solid Films, 290
(1996), pp. 216-220.
[46] R.S. Mason, M. Pichilingi, Journal of Physics D-Applied Physics, 27
(1994), pp. 2363-2371.
[47] J. Pelleg, L.Z. Zevin, S. Lungo, N. Croitoru, Thin Solid Films, 197
(1991), pp. 117-128.
[48] G.L. Huffman, D.E. Fahnline, R. Messier, L.J. Pilione, Journal of
Vacuum Science & Technology a-Vacuum Surfaces and Films, 7 (1989),
pp. 2252-2255.
162
[49] T.H. Dekeijser, J.I. Langford, E.J. Mittemeijer, A.B.P. Vogels,
Journal of Applied Crystallography, 15 (1982), pp. 308-314.
[50] K. Kusaka, D. Taniguchi, T. Hanabusa, K. Tominaga, Vacuum, 66
(2002), pp. 441-446.
[51] S. Chapman, T.G. Cowling, The mathematical theory of non-uniform
gases, 3rd. edition ed., Cambridge University Press, 1990.
[52] J. Ullmann, A.J. Kellock, J.E.E. Baglin, Thin Solid Films, 341
(1999), pp. 238-245.
[53] A. Bendavid, P.J. Martin, X. Wang, M. Wittling, T.J. Kinder, Journal
of Vacuum Science & Technology a-Vacuum Surfaces and Films, 13
(1995), pp. 1658-1664.
[54] J. Musil, F. Kunc, H. Zeman, H. Polakova, Surface & Coatings
Technology, 154 (2002), pp. 304-313.
[55] S. Zhang, D. Sun, Y.Q. Fu, H.J. Du, Surface & Coatings Technology,
198 (2005), pp. 2-8.
[56] H.B. Nie, S.Y. Xu, S.J. Wang, L.P. You, Z. Yang, C.K. Ong, J. Li,
T.Y.F. Liew, Applied Physics a-Materials Science & Processing, 73
(2001), pp. 229-236.
[57] A. Bubenzer, B. Dischler, G. Brandt, P. Koidl, Journal of Applied
Physics, 54 (1983), pp. 4590-4595.
[58] D.M. Mattox, Journal of Vacuum Science & Technology a-Vacuum
Surfaces and Films, 7 (1989), pp. 1105-1114.
[59] J.W. Yeh, Annales De Chimie-Science Des Materiaux, 31 (2006), pp.
633-648.
[60] J.E. Greene, J.E. Sundgren, L. Hultman, I. Petrov, D.B. Bergstrom,
Applied Physics Letters, 67 (1995), pp. 2928-2930.
[61] W. Ensinger, Surface & Coatings Technology, 65 (1994), pp. 90-105.
[62] L. Hultman, J.E. Sundgren, J.E. Greene, D.B. Bergstrom, I. Petrov,
163
Journal of Applied Physics, 78 (1995), pp. 5395-5403.
[63] W. Ensinger, Nuclear Instruments & Methods in Physics Research
Section B-Beam Interactions with Materials and Atoms, 127 (1997), pp.
796-808.
[64] A.G. Dirks, H.J. Leamy, Thin Solid Films, 47 (1977), pp. 219 -233.
[65] K.H. Muller, Journal of Vacuum Science & Technology a-Vacuum
Surfaces and Films, 4 (1986), pp. 184-188.
[66] J.E. Carsley, J. Ning, W.W. Milligan, S.A. Hackney, E.C. Aifantis,
Nanostructured Materials, 5 (1995), pp. 441-448.
[67] D.B. Lee, M.H. Kim, Y.C. Lee, S.C. Kwon, Surface & Coatings
Technology, 141 (2001), pp. 232-239.
[68] M. Zhou, Y. Makino, M. Nose, K. Nogi, Thin Solid Films, 339
(1999), pp. 203-208.
[69] J.B. Choi, K. Cho, M.H. Lee, K.H. Kim, Thin Solid Films, 447
(2004), pp. 365-370.
[70] Y.C. Chim, X.Z. Ding, X.T. Zeng, S. Zhang, Thin Solid Films, 517
(2009), pp. 4845-4849.
[71] C.H. Zhang, X.C. Lu, H. Wang, J.B. Luo, Y.G. Shen, K.Y. Li,
Applied Surface Science, 252 (2006), pp. 6141-6153.
[72] R. Abbaschian, L. Abbaschian, R.E. Reed-Hill, Physical Metallurgy
Principles, PWS-KENT Publishing Company, Boston, 1994.
[73] J.E. Sundgren, Thin Solid Films, 128 (1985), pp. 21-44.
[74] P. Jin, S. Nakao, S. Tanemura, S. Maruno, Thin Solid Films, 271
(1995), pp. 19-25.
[75] L. Cunha, F. Vaz, C. Moura, L. Rebouta, P. Carvalho, E. Alves, A.
Cavaleiro, P. Goudeau, J.P. Riviere, Surface & Coatings Technology, 200
(2006), pp. 2917-2922.
[76] J. Stallard, S. Poulat, D.G. Teer, Tribology International, 39 (2006),
164
pp. 159-166.
[77] 翁稚惠,“AlCrTaTiZr 氮化物薄膜附著力與抗磨耗能力之研究”,
國立清華大學材料科學工程研究所碩士論文 (2007).
[78] E. Rabinowicz, Friction and Wear of Materials, Wiley, 1965.
[79] Y. Wang, T.Q. Lei, J.J. Liu, Wear, 231 (1999), pp. 1-11.
[80] E.O. Ezugwu, C.I. Okeke, Journal of Materials Processing
Technology, 116 (2001), pp. 10-15.
[81] W. Tang, L.J. Deng, K.W. Xu, L. Jian, Rare Metal Materials and
Engineering, 37 (2008), pp. 617-620.
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