Teplotní stabilita a oxidační odolnost metastabilních tenkých vrstev W–Zr

Abstract

Nedávno jsme vyšetřovali tenké vrstvy W–Zr ve velmi širokém rozsahu složení a ukázali jsme, že tyto vrstvy mohou mít ve stavu po depozici různou metastabilní strukturu – amorfní se známky kovového skla, přesycený tuhý roztok α-W(Zr), dvoufázovou skelno-krystalickou, vysokoteplotní β-Zr(W) a vysokotlakou fázi ω-Zr(W). Všechny tyto fáze mohou být připraveny dc magnetronovým naprašováním v argonu na substráty bez přídavného ohřevu nebo předpětí. Protože metastabilní struktury jsou kineticky zamrzlé ve stavu mimo termodynamickou rovnováhu, mají stále snahu do tohoto termodynamicky stabilního stavu přejít – obzvlášť za zvýšené teploty. Proto je velmi důležité mít informaci o vysokoteplotním chování vrstev W–Zr s metastabilní strukturou.Z toho důvodu jsme se zaměřili na vyšetřování teplotní stability a oxidačního chování metastabilních tenkovrstvých slitin W–Zr s až 83 at. % Zr a na vliv obsahu Zr v těchto vrstvách. Experimenty naznačují, že struktura přesyceného tuhého roztoku vrstev bohatých na W s až 19 at. % Zr je v argonu teplotně stabilní až do 1200 °C a že teplotní stabilita tenkovrstvých kovových skel W–Zr (33–83 at. % Zr) klesá s rostoucím obsahem Zr. Nicméně, teplotní stabilita tenkovrstvého kovového skla s 33 at. % Zr dosahuje teploty 1420 °C, což je v případě binárního kovového skla velmi vysoká hodnota. Žíhání vrstev bohatých na W (0–24 at. % Zr) ve vzduchu do 600 °C vedlo k vytvoření ochranné povrchové oxidové vrstvy, která sloužila jako efektivní difuzní bariéra proti pronikání kyslíku do vrstvy. Díky rostoucí těsnosti uspořádání docházelo ke snižování tloušťky této vrstvy a dále také k amorfizaci vrstvy s rostoucím obsahem Zr. Na druhou stranu, během žíhání tenkovrstvých kovových skel W–Zr ve vzduchu do 600 °C k tvorbě žádné ochranné vrstvy nedocházelo. Oxidace zde vedla k vytvoření kompaktní homogenně zoxidované substochiometrické vrstvě W–Zr–O s amorfní strukturou a zlepšenými mechanickými vlastnostmi.

Recently, we have investigated W‒Zr thin films very thoroughly in a very wide composition range. We showed that different metastable structures, including amorphous films with metallic glass features, supersaturated α-W(Zr) solid solutions, dual-phase glassy-crystalline structures, high-temperature β-Zr(W) and high-pressure ω-Zr(W) phases, can be prepared in this system by dc magnetron co-sputtering in argon on unheated and unbiased substrates. Since metastable structures are kinetically frozen structures out of the equilibrium, they tend to transit to the thermodynamically stable state. Such a process is more favorable at elevated temperature. Therefore, it is of key importance to have information about the high-temperature behavior of W–Zr films with the metastable structures.Thus, the thermal stability and oxidation behavior of metastable W–Zr thin-film alloys with up to 83 at.% Zr were thoroughly investigated with a focus on the effect of gradual substitution of Zr for W. The experiments showed that a supersaturated α-W(Zr) solid solution structure of as-deposited W-rich films with up to 19 at.% Zr is highly thermally stable up to 1200 °C in argon and the thermal stability of the W–Zr thin-film metallic glasses (33–83 at.% Zr) decreases with increasing Zr content. Nevertheless, the thermal stability of the W–Zr thin-film metallic glass with 33 at.% Zr reaches 1420 °C, which is very high value for binary metallic glass. The annealing of W-rich films (0–24 at.% Zr) in air to 600 °C leads to the formation of a protective surface oxide layer, which serves as a more effective oxygen diffusion barrier due to an increasing packing factor and amorphization with Zr addition. On the other hand, no protective surface oxide layer is grown during the annealing in air in the case of the W–Zr thin-film metallic glasses and the oxidation leads to the formation of compact, homogeneously oxidized substoichiometric W–Zr–O films with an amorphous structure and enhanced mechanical properties.