Struktura i właściwości cienkich pokryć na bazie trójskładnikowych borków wolframu: teoria i eksperyment

• Autorzy: Wojtiuk Ewa , Maździarz Marcin , Mulewska Katarzyna , Chmielewski Marcin , Hoffman Jacek , Mościcki Tomasz

Identyfikatory

DOI

10.24423/9788365550590.ch2

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Celem pracy jest porównanie właściwości cienkich pokryć W-Al-B oraz W-Ti-B naniesionych odpowiednio łączoną metodą magnetronową DC-HiPIMS z dwóch tarcz w przypadku domieszkowania WB2 aluminium oraz HiPIMS z jednej tarczy dla stopowania tytanem. Do badań gęstości użyto oryginalnej metody wykorzystującej pomiary masowe oraz obserwacje mikroskopowe. Pomiary te następnie wykorzystano do wyznaczenia przewodności termicznej warstw. Zmierzone wartości przewodności zsyntezowanych ceramik rzędu 5–8 W/(mK) kwalifikują je jako materiały termoizolacyjne. Badania właściwości mechanicznych pokazują, że osadzone warstwy oprócz bardzo wysokiej twardości, odpowiednio ∼30 GPa dla domieszki poniżej 10% at. aluminium oraz ∼40 GPa dla stopowania tytanem poniżej 17% at., w obydwu przypadkach posiadają indeks plastyczności H/E∗ = ∼0,1. Gęstość, przewodność termiczną oraz właściwości mechaniczne porównano następnie z wynikami obliczeń teoretycznych wykonanych metodami DFT dla dwóch stabilnych struktur: α-WB2 – P6/mmm i ω-WB2 – P63/mmc.

Słowa kluczowe

PL

borki metali przejściowych; osadzanie magnetronowe; gęstość warstw; przewodność cieplna; obliczenia ab initio

EN

transition metal borides; magnetron deposition; layer density; thermal conductivity; ab initio calculations

• Wydawca: Instytut Podstawowych Problemów Techniki PAN
• Czasopismo: IPPT Reports on Fundamental Technological Research
• Rocznik: 2024
• Tom: nr 2
• Strony: 27--42
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Wojtiuk Ewa

• Instytut Podstawowych Problemów Techniki Polskiej Akademii Nauk, Warszawa

• https://orcid.org/0009-0005-9610-7092

autor

Maździarz Marcin

• Instytut Podstawowych Problemów Techniki Polskiej Akademii Nauk, Warszawa

• https://orcid.org/0000-0003-3696-0006

autor

Mulewska Katarzyna

• Narodowe Centrum Badań Jądrowych, Otwock

• https://orcid.org/0000-0001-6863-9431

autor

Chmielewski Marcin

• Narodowe Centrum Badań Jądrowych, Otwock

• https://orcid.org/0000-0003-4714-3466

autor

Hoffman Jacek

• Instytut Podstawowych Problemów Techniki Polskiej Akademii Nauk, Warszawa

• https://orcid.org/0000-0002-1571-6808

autor

Mościcki Tomasz

• Instytut Podstawowych Problemów Techniki Polskiej Akademii Nauk, Warszawa

• https://orcid.org/0000-0002-8407-903X

Bibliografia

• 1. B. Bakhit et al., Strategy for simultaneously increasing both hardness and toughness in ZrB2-rich Zr1-xTaxBy thin films, Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films, 37, 3, 031506, 2019, doi: https://doi.org/10.1116/1.5093170.
• 2. J. Wang, C. Liu, K. Miao, K. Zhang, W. Zheng, C. Chen, Macroscale robust superlubricity on metallic NbB2, Advanced Science, 9, 13, 2103815, 2022, doi: https://doi.org/10.1002/advs.202103815.
• 3. T. Moscicki et al., Influence of overstoichiometric boron and titanium addition on the properties of RF magnetron sputtered tungsten borides, Surf Coat Technol, 390, 125689, 2020, doi: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2020.125689.
• 4. M. Maździarz, R. Psiuk, A. Krawczyńska, M. Lewandowska, T. Mościcki, Effect of zirconium doping on the mechanical properties of W1-xZrxB2 on the basis of first-principles calculations and magnetron sputtered films, Archives of Civil and Mechanical Engineering, 22, 4, 193, 2022, doi: https://doi.org/10.1007/s43452-022-00513-6.
• 5. V. Moraes et al., Ab initio inspired design of ternary boride thin films, Scientific Reports, 8, 1, 9288, 2018, doi: https://doi.org/10.1038/s41598-018-27426-w.
• 6. H. Euchner et al., Solid solution hardening of vacancy stabilized TixW1-xB2, Acta Materialia, 101, 55–61, 2015, doi: https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.08.048.
• 7. M. Maździarz, T. Mościcki, Structural, mechanical and optical properties of potentially superhard WBx polymorphs from first principles calculations, Materials Chemistry and Physics, 179, 92–102, 2016, doi: https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2016.05.014.
• 8. H. Euchner, P.H. Mayrhofer, Designing thin film materials – Ternary borides from first principles, Thin Solid Films, 583, 46–49, 2015, doi: https://doi.org/10.1016/j.tsf.2015.03.035.
• 9. M. Magnuson, L. Hultman, H. H¨ogberg, Review of transition-metal diboride thin films, Vacuum, 196, 110567, 2022, doi: https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2021.110567.
• 10. R. Hahn, V. Moraes, A. Limbeck, P. Polcik, P.H. Mayrhofer, H. Euchner, Electronconfiguration stabilized (W,Al)B2 solid solutions, Acta Materialia, 174, 398–405, 2019, doi: https://doi.org/10.1016/j.actamat.2019.05.056.
• 11. C. Roy, S. Mondal, P. Banerjee, S. Bhattacharyya, Low temperature atmospheric synthesis of WAlB and Mn2AlB2 MAB phases by modified molten salt shielded synthesis method, Advanced Powder Technology, 34, 4, 103983, 2023, doi: https://doi.org/10.1016/j.apt.2023.103983.
• 12. T. Mościcki et al., Effect of titanium and deposition parameters on microstructure and mechanical properties of W-Ti-B thin films deposited by High Power Impulse Magnetron Sputtering, Surface and Coatings Technology, 485, 130915, 2024, doi: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2024.130915.
• 13. B. Bakhit, I. Petrov, J.E. Greene, L. Hultman, J. Ros´en, G. Greczynski, Controlling the B/Ti ratio of TiBx thin films grown by high-power impulse magnetron sputtering, Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films, 36, 3, 2018, doi: https://doi.org/10.1116/1.5026445.
• 14. T. Mościcki, R. Psiuk, J. Radziejewska, M. Wiśniewska, D. Garbiec, Properties of spark plasma sintered compacts and magnetron sputtered coatings made from Cr, Mo, Re and Zr alloyed tungsten diboride, Coatings, 11, 11, 1378, 2021, doi: https://doi.org/10.3390/coatings11111378.
• 15. A.V. Blinder, A.S. Bolgar, Heat capacity and enthalpy of transition-metal borides in a broad range of temperatures, Soviet Powder Metallurgy and Metal Ceramics, 30, 12, 1053–1056, 1991, doi: https://doi.org/10.1007/BF00794439.
• 16. P.H. Mayrhofer, C. Mitterer, J.G. Wen, J.E. Greene, I. Petrov, Self-organized nanocolumnar structure in superhard TiB2 thin films, Applied Physics Letters, 86, 131909, 2005, doi: https://doi.org/10.1063/1.1887824.
• 17. B. Bakhit et al., Age hardening in superhard ZrB2-rich Zr1-xTaxBy thin films, Scripta Materialia, 191, 120–125, 2021, doi: https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2020.09.026.
• 18. J. Musil, Flexible hard nanocomposite coatings, RSC Advances, 5, 74, 60482–60495, 2015, doi: https://doi.org/10.1039/C5RA09586G.
• 19 C. Fuger et al., Anisotropic super-hardness of hexagonal WB2±z thin films, Materials Research Letters, 10, 2, 70–77, 2022, doi: https://doi.org/10.1080/21663831. 2021.2021308.
• 20. J. Chrzanowska-Giżyńska et al., Thin WBx and WyTi1-yBx films deposited by combined magnetron sputtering and pulsed laser deposition technique, Applied Surface Science, 478, 505–513, 2019, doi: https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.02.006.

Uwagi

1. Praca powstała w ramach projektu OPUS NCN nr 2022/47/B/ST8/01296.

2. Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr POPUL/SP/0154/2024/02 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki II" - moduł: Popularyzacja nauki (2025).