Crescita di film sottili in lega ad alta entropia a base CoCrFeNi mediante high power impulse magnetron sputtering

In recent years, high entropy alloys (HEAs) have attracted increasing attention in the field of materials science and engineering. Defined by a composition consisting of at least five principal elements in equiatomic or near-equiatomic ratios, these alloys exhibit enhanced mechanical strength, excellent thermal stability, and superior wear and corrosion resistance, making them promising candidates for use as protective films in various service conditions. In this context, physical vapor deposition (PVD) techniques have emerged as a versatile and effective solution for depositing HEA thin films, offering precise control over their composition, thickness, and overall quality. Therefore, understanding the influence of the process parameters is essential for tailoring the structure and properties of PVD-deposited HEA thin films to meet specific application requirements. In this work, CoCrFeNi-based HEA thin films were deposited by high power impulse magnetron sputtering (HiPIMS) using an equiatomic CoCrFeNi target. In the initial stage, Mo was introduced into the alloy composition as a fifth element by co-sputtering a separate Mo target, and its influence on the microstructure, mechanical properties, and corrosion/tribocorrosion behavior of the films was systematically investigated by adjusting the Mo target-to-substrate distance. All films exhibited a columnar growth morphology with a high density of planar defects. The hardness of the films demonstrated an upward trend with increasing Mo content, attributed to the synergistic effects of solid solution and grain boundary strengthening, along with the formation of a hard body-centered cubic (BCC) phase within the face-centered cubic (FCC) matrix. While the corrosion resistance of the films in a 3.5 wt.% NaCl aqueous solution showed no significant variations, the tribocorrosion behavior deteriorated at higher Mo concentrations. Building upon these findings, (CoCrFeMo0.5Ni)1−xNx nitride thin films were synthesized by adding N2 to the process gas. The incorporation of nitrogen not only enhanced the hardness of the films but also significantly improved their wear and corrosion performance. In the final stage, the Mo target was replaced with an Al target, and AlxCoCrFeNi thin films were deposited by varying the substrate bias voltage. Higher bias voltages promoted the formation of a dense, featureless microstructure, positively affecting the electrochemical performance of the films. Simultaneously, the residual stress state within the films shifted from tensile to compressive due to the enhanced ion bombardment effect. Despite these structural changes, the hardness of the films remained relatively constant. Differences were found, however, in terms of tribocorrosion behavior, with the wear rate exhibiting a non-linear trend with increasing bias voltage. Collectively, these findings aim to contribute to a comprehensive understanding of the intricate interplay between the synthesis, structure, and properties of HEA films, offering valuable insights for optimizing their performance in wear and corrosion-prone applications.

Negli ultimi anni, si è registrato un crescente interesse nel campo della scienza e dell'ingegneria dei materiali nei confronti di una nuova classe di leghe metalliche, comunemente denominate con l'acronimo HEA (High Entropy Alloys). Queste leghe, composte da almeno cinque elementi metallici distribuiti in proporzioni quasi equiatomiche, si distinguono per la loro elevata durezza, stabilità termica e resistenza all'usura e alla corrosione. Tali caratteristiche le rendono particolarmente idonee all'impiego come rivestimenti protettivi in diverse condizioni di esercizio. Le tecniche di deposizione fisica da fase vapore (PVD) rappresentano una soluzione estremamente versatile ed efficiente per la crescita di film in HEA, in quanto offrono un controllo preciso sulla composizione, sullo spessore e sulla qualità complessiva dei film prodotti. Pertanto, al fine di soddisfare specifiche richieste applicative, è di vitale importanza approfondire l'impatto dei vari parametri di processo sulla struttura e sulle proprietà dei film in HEA. Nel presente lavoro sono stati depositati film sottili a base CoCrFeNi mediante la tecnica high power impulse magnetron sputtering (HiPIMS). Nella fase iniziale dello studio, è stata valutata l'influenza dell'aggiunta di Mo sulla struttura, sulle proprietà meccaniche e sul comportamento a corrosione/tribocorrosione dei film. A tale scopo, sono stati prodotti film sottili con diverse quantità di Mo, variando la distanza tra il target di Mo e il substrato. I risultati ottenuti hanno rivelato la formazione di film con una morfologia a crescita colonnare e un'elevata densità di difetti planari. La durezza dei film ha mostrato un aumento proporzionale al contenuto di Mo. Questo fenomeno è stato attribuito a una combinazione di diversi meccanismi, tra cui il rafforzamento per soluzione solida, il raffinamento del grano e la formazione di una fase cubica a corpo centrato (BCC) ad elevata durezza all'interno di una matrice cubica a facce centrate (FCC). L'aggiunta di Mo non sembra aver influenzato significativamente la resistenza alla corrosione dei film, come evidenziato dai test svolti in una soluzione acquosa di NaCl al 3.5% p/V. Tuttavia, è stato osservato un deterioramento del comportamento a tribocorrosione in presenza di elevate concentrazioni di Mo. A partire da questi risultati, nella fase successiva dello studio, sono stati sintetizzati film sottili con composizione (CoCrFeMo0.5Ni)1−xNx immettendo azoto nel gas di processo. La presenza di azoto non solo ha determinato un incremento nella durezza dei film, ma ha altresì comportato un notevole miglioramento della loro resistenza all'usura e alla corrosione. Nella fase conclusiva dello studio, il target di Mo è stato sostituito con uno contenente Al al fine di depositare film sottili a base AlxCoCrFeNi. In questa fase, è stata condotta un'analisi sull'effetto della tensione di polarizzazione sulla struttura e sulle proprietà dei film ottenuti. L'applicazione di tensioni di polarizzazione elevate ha favorito la formazione di una microstruttura densa e uniforme, con conseguente miglioramento delle prestazioni elettrochimiche dei film. Inoltre, a seguito dell'intensificato bombardamento ionico, le tensioni residue all'interno dei film sono passate da uno stato trattivo a uno compressivo, senza però alterare la durezza dei film stessi. Complessivamente, i risultati di questo studio contribuiscono a chiarire la relazione tra sintesi, struttura e proprietà dei film in HEA e possono essere utilizzati come punto di riferimento per ottimizzare le prestazioni di tali film in termini di resistenza all'usura e alla corrosione.