Tek Ve Çok Katmanlı Bor Karbür Ve Bor Karbonitrür İnce Filmlerinin Farklı Sıçratma Teknikleriyle Biriktirilmesi Ve Karakterizasyonu

Abstract

Bu çalışmada farklı sıçratma teknikleriyle biriktirilmiş tek ve çok katmanlı bor kabür ve bor karbonitrür ince filmler incelenmiştir. Homojen ve taban malzemeye iyi yapışan bor karbür kaplamalar, konvansiyonel doğru akım (DC) manyetik alanda sıçratma, plazma destekli doğru akım manyetik alanda sıçratma ve radyo frekans (RF) sıçratma teknikleriyle üretilmiştir. Proses gazına azot ilavesiyle reaktif doğru akım manyetik alanda sıçratma tekniği kullanılarak bor karbonitrür ince filmler üretilmiştir. Kalın bor karbür ve bor karbonitrür kaplamalar elde etmek amacıyla fonksiyonel gradyanlı çok katmanlı kaplama tasarımları çalışılmıştır. Filmlerin biriktirilmesinde, çalışma kapsamında üretilmiş, doğru akım uyumlu, iletken bor karbür ve ticari bor karbür hedef malzemeler kullanılmıştır. Biriktirilen bütün bor karbür ince filmler amorf yapıdadır. Konvansiyonel doğru akım manyetik alanda sıçratma yöntemiyle biriktirilen filmler kolonsal yapılıdır ve bu filmler için yaklaşık 20 GPa sertlik ve 220 GPa elastik modül değerleri elde edilmiştir. Plazma destekli doğru akım manyetik alanda sıçratma tekniğiyle biriktirilen bor karbür filmlerde kolonsuz mikroyapılar ve düzgün yüzey morfolojileri gözlenmiştir. Bu filmlerde yaklaşık 40 GPa sertlik, 300 GPa elastik modül ve 2.6x10-8 mm3/Nm aşınma oranı değerlerine ulaşılmıştır. Radyo frekansı sıçratma tekniğiyle biriktirilen bor karbür ince filmlerde 22 GPa sertlik ve 240 GPa elastik modül değerleri elde edilmiştir. Üretilen bor karbonitür ince filmlerde 10-20 GPa sertlik, 130-185 GPa elastik modül ve 1.5x10-9 mm3/Nm aşınma oranı değerleri tespit edilmiştir. Fonksiyonel gradyanlı çok katmanlı kaplama tasarımları sayesinde 1 μm den fazla kalınlıklarda ve taban malzemeye iyi yapışan bor karbür ve BCN filmler biriktirilebilmiştir.

In this study single and multilayered boron carbide and boron carbonitride (BCN) thin films deposited with several sputtering configurations were investigated. Three types of well adherent and homogenous boron carbide films were deposited by conventional direct current (DC) magnetron sputtering, plasma-enhanced DC magnetron sputtering and radio frequency (RF) sputtering. Boron carbonitride thin films deposited by reactive DC magnetron sputtering in addition of nitrogen into processing gas were also studied. Functionally graded multilayered designs were used to growth thicker boron carbide and boron carbonitride films. An own produced, direct current compatible, conducting boron carbide target and a commercial boron carbide target was used for deposition of thin films. All boron carbide thin films deposited were amorphous. Boron carbide films deposited by conventional DC magnetron sputtering had columnar microstructures with about 20 GPa hardness and 220 GPa elastic modulus. Boron carbide films deposited by plasma-enhanced DC magnetron sputtering had featureless, non-columnar microstructures with smooth surface morphologies. Hardness values of about 40 GPa, elastic modulus of 300 GPa and wear rates of 2.6x10-8 mm3/Nm were reached for these films. Boron carbide films deposited by RF sputtering had 22 GPa hardness and 240 GPa elastic modulus. For boron carbonitride films deposited, hardness values between 10-20 GPa, elastic modulus between 135-180 GPa and wear rates of 1.5x10-9 mm3/Nm were obtained. Well adherent boron carbide and BCN top layers with thicknesses over 1 µm were successfully grown by means of functionally graded multilayer designs.