Synthesis and structural/mechanical characterization of refractory (TiZrHf)Tax high entropy alloy thin films

Nowadays high entropy alloys (HEAs) are gaining more and more attention due to their particular properties, such as high hardness and elastic modulus and enhanced thermal stability, and the possibility to tune them by changing their composition. In this work TiZrHfTax HEA films were synthesized by direct current magnetron sputtering (DCMS), with a working pressure of 0.3 Pa in inert Ar plasma discharge. Seven different compositions were deposited from 0 to 59 at.% of tantalum. The samples were deposited onto two different kind of substrate, silicon and Kapton® in order to meet the conditions for the successive analysis. A complete set of tests were performed to investigate structure and mechanical properties of the synthesized samples. They appear to be crystalline for concentration of tantalum equal or lower than 30%, on the contrary if the tantalum concentration exceeds this threshold the film results amorphous. Regarding the crystalline films; the ternary sample is completely HCP structure (hexagonal close-packed), when tantalum is added in the alloy BCC (body centered cubic) structure start to nucleate and grow in percentage and when the concentration of tantalum is 20% the film appear to be completely BCC. The mechanical properties of the as-deposited films were analyzed with both nanoindentation and Brilluoin light scattering (BLS), the highest value for both hardness and elastic modulus is the one of the ternary sample and it is respectively 140.0 ±1.5 GPa and 10.3 ±0.2 GPa; mechanical properties tend to decrease as the tantalum concentration increase for crystalline films and they reach a plateau when the film became amorphous. Two different compositions were selected to undergo thermal treatment to test their thermal stability and investigate the change in their mechanical properties: 15Ta, a crystalline sample composed of a mixture of BCC and HCP phases and 40Ta, an amorphous sample. The two samples were annealed in vacuum (10^(−5) Pa) for two hours at 300°, 400° and 500C°. Both films increase considerably their mechanical properties. Tensile tests performed on Kapton® revealed good resistance to cracking, all the sample tested started to crack nucleation when the applied strain was higher than 2%. Overall, in this work we synthesized TiZrHfTax with great possibility to tune phase stability and mechanical properties with Ta content and thermal treatment. These results which can thus be used for designing novel film configurations for different fields of application such as thermal and wear resistance.

Negli ultimi anni, le leghe ad alta entropia (HEA, High Entropy Alloys) hanno guadagnato sempre più attenzione grazie alle loro particolari proprietà, come l’elevata durezza e modulo elastico, nonché la stabilità termica migliorata, e la possibilità di regolarle modificando la loro composizione. In questo studio una lega ad alta entropia, TiZrHfTax, è stata sintetizzata tramite direct current magnetron sputtering(DCMS) in argon e con pressione in condizioni di lavoro di 0.3 Pa, usando due diversi target per la deposizione: il primo è composto dalla lega ternaria di base TiZrHf, mentre il secondo è un target di tantalio puro, usato per controllare la sua concentrazione percentuale nella lega. Sono stati depositati sette diverse composizioni, dall’0 al 59 at.% di tantalio. I campioni sono stati depositati su due diversi tipi di substrato, silicio e Kapton®, al fine di soddisfare le condizioni per le successive analisi. È stata eseguita una serie completa di test per indagare la struttura e le proprietà meccaniche dei campioni sintetizzati. I campioni mostrano una struttura cristallina per concentrazioni di tantalio uguali o inferiori al 30%, mentre se la concentrazione di tantalio supera questa soglia, il film risulta amorfo. Per quanto riguarda i film cristallini, quando la concentrazione di tantalio è bassa o nulla, gli atomi si dispongono nella struttura esagonale compatta, mentre l’aggiunta di tantalio stabilizza la struttura cubica a corpo centrato, infatti si ha un mix di strutture fino a quando la concentrazione di tantalio raggiunge il 20 at.% e il film presenta completamente una struttura cubica a corpo centrato. I film depositati presentano proprietà meccaniche, che sono state analizzate sia con la nanoindentazione che con la Brilluoin light scattering (BLS), migliori di altri film di leghe metalliche ad alta entropia presenti in letteratura. Il valore più alto sia per la durezza che per il modulo elastico è quello del campione ternario ed è rispettivamente di 140.0 ± 1.5 GPa e 10.3 ± 0.2 GPa. Quando il film è cristallino, l’aggiunta di tantalio diminuisce le proprietà meccaniche del film, mentre quando il film è amorfo il comportamento è opposto. Due diverse composizioni sono state selezionate per essere sottoposte a trattamento termico e studiarne la loro stabilità strutturale ad alta temperatura: TiZrHfTa0.53, un campione cristallino composto da una miscela di reticoli esagonali e cubici, e TiZrHfTa2, un campione amorfo. I due campioni sono stati riscaldati per due ore in vuoto (10^(−5) Pa) a 300°, 400° e 500°C. Entrambi i film hanno notevolmente migliorato le loro proprietà meccaniche, in particolare il campione 2 ha aumentato la sua durezza da 6.8 ± 0.1 GPa del film depositato a 12.2 ± 0.9 GPa dopo essere stati riscaldati a 500°C. I test di trazione eseguiti su Kapton® hanno rivelato una buona resistenza alla formazione di cricche; tutti i campioni testati hanno iniziato a sviluppare cricche quando la deformazione applicata era superiore al 2%, ma i film hanno mostrato scarsa adesione al substrato in poliimmide, risultando nella nucleazione di buckles a bassa deformazione applicata (da 4.5 a 5%). Pertanto, in questo lavoro viene dimostrato che è possibile sintetizzare, mediante DCMS in combinazione con trattamenti termici successivi, film TiZrHfTax ottenendo film cristallini e amorfi con una struttura e una risposta ai trattamenti termici che varia in base alla composizione del film, offrendo la possibilità di regolare le proprietà meccaniche e la microstruttura dei film, che possono quindi essere utilizzati per progettare nuove configurazioni di film per diversi campi di applicazione ad esempio film per ottenere una maggiore resistenza ad usura e termica.