High-entropy transition metal nitride thin films alloyed with Al: Microstructure, phase composition and mechanical properties

材料科学 密度泛函理论 氮化物 高熵合金 微观结构 亚稳态 薄膜 断裂韧性 热力学 从头算 陶瓷 复合材料 纳米技术 计算化学 化学 物理 图层(电子) 量子力学
作者
Oleksandr Pshyk,Andrij Vasylenko,Babak Bakhit,Lars Hultman,Peter Schweizer,Thomas Edward James Edwards,Johann Michler,Grzegorz Greczyński
出处
期刊:Materials & Design [Elsevier BV]
卷期号:219: 110798-110798 被引量:30
标识
DOI:10.1016/j.matdes.2022.110798
摘要

Deviation from equimolar composition in high-entropy multielement ceramics offers a possibility of fine-tuning the materials' properties for targeted application. Here, we present a systematic experimental and theoretical study on the effects of alloying equimolar pentanary (TiHfNbVZr)N and hexanary (TiHfNbVZrTa)N high-entropy nitrides with Al. Although being predicted to be metastable by ab initio density-functional theory calculations, single-phase fcc NaCl-structured solid solution thin films with Al solubility limits as high as x ∼ 0.51–0.61 in (TiHfNbVZr)1-xAlxN and x ∼ 0.45–0.64 in (TiHfNbVZrTa)1-xAlxN are synthesised utilizing a hybrid deposition technique that offers dynamic mixing of film atoms from Al+ subplantation and non-equilibrium growth conditions leading to quenching of the desired film structure. In experimental studies supplemented with density-functional theory calculations, it is demonstrated that Al concentration in alloys with the multielement compositions of high-entropy nitride thin films determine hardness, yield strength, toughness, and ability to deform plastically up to fracture due to different deformation mechanisms arising from the electronic structure and phase compositions.

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