Metastable structures in magnetron sputtered W–Zr thin-film alloys

Abstract

Binární tenkovrstvé slitiny W–Zr s různými metastabilními strukturami byly připravené dc magnetronovým naprašováním z W a Zr terčů v argonové atmosféře. Byl zkoumán vliv prvkového složení vrstev na tvorbu různých struktur a fází ve vrstvách ve velmi širokém rozsahu 3–99 at. % Zr. Výsledná mikrostruktura a vlastnosti vrstev byly dávány do souvislosti s metastabilní strukturou vrstev daného složení. Bylo zjištěno, že vrstvy bohaté na W se strukturou tvořenou tuhým roztokem α-W(Zr) lze připravit v mnohem širším rozsahu složení (až do 24 at. % Zr), než je uvedeno v rovnovážném fázovém diagramu W–Zr. Tyto vrstvy vykazují zvýšenou tvrdost (až 16,1 GPa) a redukované zbytkové pnutí (až –0,05 GPa). Amorfní vrstvy W–Zr s velmi nízkou drsností povrchu (až 0,4 nm) a vlastnostmi kovových skel byly připraveny s obsahem Zr v rozmezí 33 a 83 at. %. Tvrdost těchto vrstev postupně klesá s rostoucím obsahem Zr v důsledku snižující se průměrné vazebné energie. Všechny připravené amorfní vrstvy vykazují na rozdíl od těch krystalických tlakové zbytkové pnutí. Struktura krystalických vrstev bohatých na Zr s více než 88 at. % Zr byla převážně dvoufázová s postupným přechodem od metastabilního tuhého roztoku β-Zr(W) (86–96 at. % Zr) přes metastabilní tuhý roztok ω-Zr(W) (94–100 at. % Zr) až k termodynamicky stabilní fázi α-Zr (99–100 at. % Zr) s rostoucím obsahem Zr (klesajícím obsahem W). Byla pozorována též tvorba dvoufázové skelno-krystalické struktury v přechodových zónách mezi plně krystalickými a plně amorfními vrstvami.