High-entropy alloy inspired development of compositionally complex superhard (Hf,Ta,Ti,V,Zr)-B-N coatings

材料科学 合金 热稳定性 无定形固体 退火(玻璃) 冶金 杂质 涂层 相(物质) 非晶态金属 固溶强化 分析化学(期刊) 结晶学 复合材料 化学工程 化学 有机化学 工程类 色谱法
作者
A. Kretschmer,A. Kirnbauer,Eduardo Pitthan,Daniel Primetzhofer,Kumar Yalamanchili,Helmut Rudigier,P.H. Mayrhofer
出处
期刊:Materials & Design [Elsevier BV]
卷期号:218: 110695-110695 被引量:17
标识
DOI:10.1016/j.matdes.2022.110695
摘要

Phase stability and mechanical properties of multimetal-boronnitride (Hf,Ta,Ti,V,Zr)-B-N is investigated by ab initio computations and experimental methods. (Hf,Ta,Ti,V,Zr)-B-N shows a strong energetic preference for the fcc NaCl-type structure over other structures up to a B:N ratio of 3.5. Reactively deposited (Hf,Ta,Ti,V,Zr)-B-N coatings show formation of X-ray amorphous BN, accompanied by a drastic hardness decrease with increasing B content. But non-reactively sputtered (Hf,Ta,Ti,V,Zr)-B-N coatings exhibit a single-phase fcc solid solution, up to the maximum B:N ratio of 1.12 studied, in good agreement with calculations. All non-reactively sputtered multimetal-boronnitride coatings contain a high Zr metal-fraction and ≈8at% C, stemming from impurities in the target. The single-phase coatings reach superhardness up to 46.3 GPa. Even after vacuum annealing to 1200°C, the hardness of the coating with a B:N ratio of 1.03 is still 43.7 GPa, while that of ZrN0.72C0.28 decreased from 36.3 to 30.2 GPa. Our results demonstrate the importance of the deposition technique to deposit single-phased coatings with exceptional hardness and thermal stability.

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