[論文レビュー] Design and Characterization of Self Lubricating Refractory High Entropy Alloy Based Multilayered Films

Dawei Luo, Qing Zhou+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 8, 2021

High Entropy Alloys Studies参考文献 85被引用数 106

ひとこと要約

本研究では、磁控濁射法を用いてNbMoWTa/Ag多層膜を設計し、10 nm未塔の層厚さで共通界面を誘発することで、高硬度と低摩擦の相乗効果を実現した。2.5 nm多層膜は、単体のNbMoWTaと比較して、摩耗率が50%低減され、摩擦係数が40%低減された。これは、共通界面による強化とAg層の転送による有効な自己潤滑作用に起因する。

ABSTRACT

Refractory high entropy alloys (RHEA) have been proven to have excellent mechanical properties with a potential use as protective thin films. However, the combination of high hardness with low friction and wear is a major challenge in the design of self lubricating RHEA films. In this study, we show that designing of NbMoWTa/Ag multilayered films give a remarkable reduction in friction and at same time maintain high hardness. Interestingly, it's found that the bcc superlattice dominates in both layers and the interfaces are highly coherent when the individual layer thickness h is reduced below 10 nm. The film properties are then strongly dependent on h ranging from 100 to 2.5 nm, and the most promising properties are obtained when the interface structure transforms from incoherent to coherent ones. Specially, the multilayer with h = 2.5 nm exhibits superior tribological performance over monolithic NbMoWTa, due to the significant coherent strengthening along with the self-lubricating ability in the multilayer. This tailored phase transition and coherent structure between matrix and lubrication phases can also provide an optimal wear rate-coefficient of friction (COF) combination, which is higher than most of the Ag containing self lubricating films. The current work might open a new route towards the development of innovative self lubricating RHEA films with excellent tribological properties in general.

研究の動機と目的

• 自己潤滑性を有する難接着高エントロピー合金（RHEA）膜の開発を目的とし、摩擦特性を向上させる。
• RHEA膜における高硬度と低摩擦の本質的トレードオフを解消するため、延性を有するAg相を導入する。
• 層厚さ（h）が微細組織、機械的挙動および摩擦特性に与える影響を調査する。
• 共通界面形成と硬度および摩耗抵抗性の向上との相関関係を確立する。
• 高性能応用分野における最大の摩耗抵抗性と最小の摩擦を実現する多層構造を最適化する。

提案手法

• 粉末冶金法によるNbMoWTa RHEAターゲットおよびアーク融解法によるAgターゲットの調製。
• Si基板上に磁控濁射法を用いて、制御された個々の層厚さ（h = 2.5, 5, 10, 20, 50, 100 nm）のNbMoWTa/Ag多層膜を堆積。
• 基板の回転と-80 Vバイアスを用いて、膜の均一性および密着性を向上。
• XRD、SEM、TEM、AFM、ナノインデンテーション、および大気下でのピンオンディスク法を用いた摩擦特性試験による特性評価。
• 表面化学および摩耗痕の組成を分析するため、高分解能XPSおよびEDSマッピングを活用。
• Berkovich先端を用いた深さ感知ナノインデンテーションを適用し、基板効果を補正した硬度（H）および縁性率（E）を決定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 層厚さ（h）を100 nmから2.5 nmに減少させることで、NbMoWTa/Ag多層膜における界面構造（非共通から共通）にどのような影響が生じるか？
• RQ2 界面の共通性とその結果生じる硬度および摩耗抵抗性との関係は何か？
• RQ3 多層膜の摩擦特性（COFおよび摩耗率）は、単体のNbMoWTaおよび他のAg含有自己潤滑膜と比較してどう異なるか？
• RQ4 異なるh値におけるAg層の転送および酸化物の生成が、自己潤滑機構に果たす役割は何か？
• RQ5 共通界面の形成が、通常の強度と潤滑性のトレードオフを克服し、同時に硬度向上と摩擦低減を実現できるか？

主な発見

• h = 2.5 nmのNbMoWTa/Ag多層膜は、約9.4 GPaのピーク硬度を示し、混合則予測値比で52%の増加を示した。
• hが10 nm未塔に低下するに従い、ホール・ペッチ強化から共通界面強化への移行が観察され、これは共通界面の形成と相関した。
• h = 2.5 nmの多層膜は、単体のNbMoWTaと比較して、摩耗率が50%低減され、摩擦係数（COF）が40%低減された。
• EDSおよびSEM分析により、対向体（Si3N4ボール）へのAgの転送によって、耐久的で連続的な潤滑膜が形成されていることが確認され、摩耗および摩擦の低減が実現した。
• h = 20 nmでは、十分なAg供給と酸化物の生成により、最適な自己潤滑性が達成されたが、機械的劣化のため、2.5 nm膜に比べ性能が劣化した。
• 2.5 nm未塔の層厚さでは、混合と多層構造の喪失が生じ、機械的特性の劣化が見られ、性能向上効果が相殺された。