Riassunto analitico
Nel corso degli ultimi anni, una nuova classe di leghe metalliche, indicate con l’acronimo di HEA (high-entropy alloys), ha riscosso un crescente interesse nel campo della scienza e dell’ingegneria dei materiali. Formate dalla combinazione di almeno 5 elementi metallici, ciascuno in percentuali atomiche comprese tra il 5 e il 35%, le HEA sono contraddistinte da notevoli proprietà meccaniche, fisiche e chimiche, tali da renderle promettenti candidate per un’ampia gamma di applicazioni. Mentre le HEA in forma massiva sono state oggetto di numerose indagini, gli studi condotti sui film sottili e sui rivestimenti in HEA sono limitati. Nel presente lavoro sono stati depositati film sottili in MoNbTaVW su substrati di Si mediante tre differenti tecniche di deposizione fisica da fase vapore, vale a dire direct current magnetron sputtering (DCMS), high-power impulse magnetron sputtering (HiPIMS) e cathodic arc deposition (CAD). L’effetto delle condizioni di crescita presenti durante la deposizione sulla struttura e sulle proprietà dei film sottili è stato angolarmente risolto posizionando i substrati ad angoli compresi tra 0 e 90° rispetto alla normale alla superficie del target. Tutti i film hanno mostrato una superficie relativamente liscia e una microstruttura a crescita colonnare e sono costituiti da una soluzione solida con struttura cristallina cubica a corpo centrato, indipendentemente dal metodo e dall'angolo di deposizione. Tuttavia, sono state riscontrate differenze in termini di composizione chimica. Nei film depositati tramite DCMS e HiPIMS è stato osservato un arricchimento in elementi leggeri a bassi angoli di deposizione, mentre gli elementi più pesanti sono stati ritrovati in concentrazioni maggiori ad alti angoli di deposizione. Un andamento opposto è stato notato nei film ottenuti attraverso CAD. Ad un angolo di deposizione di 90° la morfologia e la composizione chimica dei film indicano una crescita avvenuta da parte di atomi e ioni termalizzati. Nei film depositati mediante HiPIMS e CAD è stata rilevata una tensione residua di compressione, mentre nei film realizzati per DCMS è stata individuata una tensione residua di trazione. La durezza dei film segue un andamento simile a quello delle tensioni residue, aumentando nel passaggio da DCMS a HiPIMS e CAD. Relativamente al modulo di Young, sono state osservate solo variazioni di piccola entità. Ad eccezione dell’angolo di deposizione di 90°, le tensioni residue e le proprietà meccaniche si sono mantenute pressoché costanti per tutti gli angoli di deposizione.
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Abstract
In recent years, high entropy alloys (HEAs), as a novel class of metal alloys, have gained increasing attention in the field of materials science and engineering. Based on a multi-principal element design concept, HEAs feature outstanding mechanical, physical and chemical properties, making them promising candidates for a wide range of applications. While bulk HEAs have been the subject of numerous investigations, studies on HEA thin films and coatings are still limited. Within this thesis, MoNbTaVW HEA thin films were synthesized by three different physical vapor deposition techniques, namely direct current magnetron sputtering (DCMS), high-power impulse magnetron sputtering (HiPIMS) and cathodic arc deposition (CAD). The effect of the film growth conditions present during deposition on the structure and properties of the thin films was angularly resolved covering deposition angles from 0° to 90°. All films showed a relatively smooth surface and a columnar-growth structure and exhibited a solid solution with body-centered cubic crystal structure regardless of deposition method and angle. Differences were, however, noticed in terms of chemical composition. For the films deposited by DCMS and HiPIMS, an enrichment in light elements was observed at low deposition angles, whereas heavier elements were found in higher concentration at greater deposition angles. An inverse trend was noticed for the films grown by CAD. At a deposition angle of 90° film morphology and chemical composition indicate film growth by mainly thermalized atoms and ions. In terms of film stress, compressive residual stress was detected for the films synthesized by HiPIMS and CAD, whereas tensile residual stress was present in the films deposited by DCMS. Similarly, the hardness of the films increased when changing from DCMS to HiPIMS and CAD. Only minor variations were noticed for the Young’s modulus. Except for the deposition angle of 90°, residual stress and mechanical properties were rather constant over all deposition angles.
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