Non-reactive HiPIMS deposition of NbCx thin films: Effect of the target power density on structure-mechanical properties

材料科学 高功率脉冲磁控溅射 弹性后坐力检测 微观结构 复合材料 纳米复合材料 碳化物 溅射沉积 薄膜 分析化学(期刊) 溅射 纳米技术 化学 色谱法
作者
A. Bahr,T. Glechner,Tomasz Wójcik,A. Kirnbauer,Markus Sauer,Annette Foelske,O. Hunold,J. Ramm,S. Kolozsvári,E. Ntemou,Eduardo Pitthan,Daniel Primetzhofer,H. Riedl,Rainer Hahn
出处
期刊:Surface & Coatings Technology [Elsevier]
卷期号:444: 128674-128674 被引量:7
标识
DOI:10.1016/j.surfcoat.2022.128674
摘要

The exceptional mechanical properties of transition metal carbide coatings are known to be governed by the carbon content and its morphological distribution. Here, we verify the influence of the target peak power density on the chemical composition, microstructure, and mechanical properties of NbCx coatings grown by non-reactive high-power impulse magnetron sputtering (HiPIMS). By tuning the pulse parameters, the power density can be increased from 0.11 to 1.48 kW/cm2 leading to a decrease in the C/Nb ratio from 1.52 to 0.99 within the films – proven by combined elastic backscattering and time-of-flight elastic recoil detection analysis. This decrease in the C/Nb ratio is accompanied by microstructural changes from nanocomposite morphologies with an average grain size of 6.6 ± 2.5 nm at 0.13 kW/cm2 into more columnar structures with an average column width of 65.2 ± 18.7 nm at 1.48 kW/cm2. Independent from the C/Nb ratio, all films exhibit a single face-centered cubic structure. The mechanical properties correlate with the enhanced growth behavior dominated by ions at higher peak power densities and the varied C/Nb ratios. A maximum in hardness and fracture toughness of H = 38.7 ± 3.6 GPa and KIc = 2.78 ± 0.13 MPa∙m1/2 (at 3.2 GPa residual compressive stress), is obtained for the nearly stoichiometric NbC coating exhibiting C/Nb ratio of 1.06.

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