Self-formation of dual-phase nanocomposite Zr–Cu–N coatings based on nanocrystalline ZrN and glassy ZrCu

材料科学 纳米晶材料 纳米复合材料 相(物质) 冶金 对偶(语法数字) 化学工程 复合材料 纳米技术 有机化学 艺术 工程类 化学 文学类
作者
P. Zeman,Stanislav Haviar,Jiří Houška,Debajit Thakur,Andrey Bondarev,Michaela Červená,Rostislav Medlín,R. Čerstvý
出处
期刊:Materials & Design [Elsevier BV]
卷期号:245: 113278-113278 被引量:5
标识
DOI:10.1016/j.matdes.2024.113278
摘要

A novel type of nanocomposite Zr–Cu–N material based on hard nanocrystalline ZrN and amorphous glassy ZrCu was prepared by atom-by-atom deposition using reactive magnetron co-sputtering. The elemental composition of the coatings was systematically controlled over a wide range, so that the stoichiometry of both phases was the same in all coatings and only phase fractions varied. Experimental results obtained using X-ray diffraction and electron microscopies were complemented by thirteen ab-initio simulations for the same coating compositions. We found that the structure of the as-deposited Zr–Cu–N coatings undergoes a gradual transition from an amorphous to nanograined and finally to nanocolumnar structure. When ZrN fraction exceeds 20 mol.%, both phases exhibit the tendency for spontaneous segregation even without heating, forming a heterogenous dual-phase nanocomposite structure. At approximately 50 mol.% ZrN, the ZrN nanocrystals enveloped by a relatively thin amorphous ZrCu phase reach an optimum size (3–5 nm), resulting in a maximum enhancement of hardness by 38 % compared to the rule of mixture. For ZrN fractions > 80 mol.%, hardness and plastic work fraction follow the trend proposed by the rule of mixture and the coatings with a lower hardness but a higher plasticity compared to the ZrN coating are prepared.
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