Caracterización tribológica de recubrimientos de alta entropía de VCrNbMoTaW, producidos por el proceso co-Sputtering en acero AISI 4140

Abstract

Debido a sus propiedades físicas y químicas los materiales multifuncionales o aleaciones de alta entropía han sido estudiados extensamente a partir del 2004, cuándo Yeh.J y Cantor.B publicaron sus investigaciones sobre materiales combinados y manufacturados con el fin mejorar las propiedades, adicional a esto con sorpresa encontraron que las concentraciones de los materiales son cuasiequiatómicas, además detectaron que los materiales principales llegan a ser una sola fase cristalina de la combinación de los elementos o componentes predominantes. Con base en los estudios previos se realizó el estudio de los materiales producidos mediante una fusión de materiales a una escala nanométrica. Por tal motivo, en este trabajo se presenta el análisis de las propiedades de películas nanoestructuradas de VCrNbMoTaW depositadas sobre sustratos acero 4140 utilizando magnetrones individuales en configuración confocal sputtering (DC y RF), con el objetivo de analizar la influencia de la cantidad de elementos constitucionales sobre la estructura cristalina, microestructura y resistencia al desgaste. La estructura de los recubrimientos fue caracterizada mediante difracción de rayos X (XRD), adicional a esto se halló el tamaño de grano y el parámetro de red. Simultáneamente, se determinó la composición química de cada uno de los materiales, para ello se usaron dos técnicas: Espectroscopia de energía dispersiva (EDS) con la que se determina la concentración de elementos a nivel local, y espectroscopia de fotoelectrones emitidos por rayos (XPS) para determinar la composición química general. Por otro lado, la morfología se evaluó mediante microscopia de fuerza atómica, (AFM) con la que se determinó el coeficiente de fricción y la forma y geometría generada en la superficie del recubrimiento, estás imágenes se contrastaron contra los resultados obtenidos con las fotografías tomadas por el microscopio electrónica de barrido (SEM); las propiedades de desgaste se estudiaron usando pruebas de rayado (scratch test), y pin en disco (pin on disc). Por último, se realizó la toma de nanodureza de cada una de las películas delgadas, el equipo con el que se realizó la técnica entrega los resultados de la dureza y del módulo de Young. Al realizar los ensayos mencionados y contrastar contra la bibliografía, se encuentra como resultado preliminar que las películas son monofásicas policristalinas y que la resistencia al desgaste mejora en función de la concentración de Vanadio, Niobio y Tantalio en las películas. El mecanismo de desgaste en las películas será discutido durante la presentación de este trabajo. (Texto tomado de la fuente).

Due to their physical and chemical properties, multifunctional materials or high entropy alloys have been extensively studied since 2004, when Yeh.J and Cantor.B published their research on combined and manufactured materials in order to improve their properties, in addition to this, with surprise, they found that the concentrations of the materials are equiatomic or very close to being equiatomic, they also detected that the main materials become a phase of the combination of the predominant elements or components. Based on the previous studies, the study of the materials produced by a fusion of materials at a nanometric scale was carried out. For this reason, this work presents the analysis of the properties of VCrNbMoTaW nanostructured films deposited on 4140 steel substrates using individual magnetrons in confocal sputtering DC and RF configuration, with the objective of analyzing the influence of the amount of constituent elements on the crystalline structure, microstructure and wear resistance. The structure of the coatings was characterized by X-ray diffraction (XRD), in addition to this, the grain size and the lattice parameter were found. Simultaneously, the chemical composition of each of the materials was determined using two techniques: energy dispersive spectroscopy (EDS) to determine the concentration of elements at a local level, and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) to determine the general chemical composition. On the other hand, the morphology was evaluated by atomic force microscopy (AFM) with which the friction coefficient and the shape and geometry generated on the surface of the coating were determined, these images were contrasted against the results obtained with the photographs taken by the scanning electron microscope (SEM); the wear properties were studied using scratch tests and pin on disc. Finally, the nanoduration of each of the thin films was taken; the equipment used to perform the technique provides the results of hardness and Young's modulus. By performing the mentioned tests and contrasting against the literature, it is found as a preliminary result that the films are polycrystalline single phase and that the wear resistance improves as a function of the concentration of Vanadium, Niobium and Tantalum in the films. The wear mechanism in the films will be discussed during the presentation of this work.