NiCoCr is a medium entropy alloy that has recently been of much interest due to its high strength as well as excellent ductility even at low temperatures, making it a promising material for extreme environment applications. Yet, relatively poor yield strength at room temperature in comparison to other conventional alloys motivated numerous studies to improve the mechanical properties by exploring non-equiatomic compositions. This study aims to efficiently determine the composition of non-equiatomic Ni-Co-Cr alloy with optimal strength by using nanoindentation of the combinatorial thin film library. Co-sputtering from Ni, Co, and Cr targets allowed for the synthesis of a thin film with a wide composition range in a single specimen as determined by Energy Dispersive X-ray Spectroscopy analysis. X-ray diffraction revealed that the thin film was mostly a single phase of FCC solid solution for Cr < ~43 at.% but a small region with secondary sigma phase formation (Cr ≥ ~43 at.%) was also reported. In this study, the single phase region was chosen for nanoindentation analysis to determine the sole effect of the composition variance in the absence of any secondary phase formations. Modulus and hardness mapping using nanoindentation revealed that the Ni-poor compositions near Ni$_{20}$Co$_{40}$Cr$_{40}$ showed the highest hardness of 7.45 GPa, possibly due to the increased non-linear interaction between Co and Cr that hinders dislocation motion. Hardness mapping was therefore successfully used to identify the composition leading to the highest strength, although there is a discrepancy in the absolute value of the strength when compared to the bulk values due to the generally known mechanisms for thin films being stronger than their bulk counterparts. Therefore, the combinatorial thin film approach presented in this work was demonstrated to be a high throughput, efficient methodology in identifying the non-equimolar NiCoCr alloy composition with optimal mechanical properties.
본 연구는 나노압입을 이용하여 니켈-코발트-크로뮴 합금 내 최고의 강도를 갖는 비등원자 조성의 효율적인 탐색을 목표로 한다. 단일원자 타겟의 동시스퍼터링은 넓은 조성 범위의 박막 합성을 단일 시편에서 가능하게 했으며, 그 범위는 엑스선 분광분석에 의해 확인되었다. 대부분의 박막 라이브러리 영역은 면심입방구조의 단일 상 고용체였으나, 시그마 2차 상이 형성되는 좁은 영역도 파악되었으며, 크로뮴의 조성비가 큰 영향을 끼치는 것으로 확인되었다. 조성의 변화에 의한 효과만을 고려하기 위해 2차 상 영역을 제외한 단일 상 영역을 나노압입을 사용하여 영률 및 경도를 분석하였으며, 그 결과 니켈20코발트40크로뮴40 근처의 조성에서 7.45 기가파스칼의 높은 경도가 측정되었다. 이는 코발트와 크로뮴 간 전위 운동을 방해하는 비선형 상호 작용의 증가, 혹은 적층 결함 에너지 및 고용체 강화 효과의 변화에 기인한 것 보인다. 일반적으로 박막은 특유의 소성 메커니즘에 의해 벌크보다 강하므로 대응하는 벌크의 물성값과 일치하지 않는다. 그럼에도 경도 매핑을 통해 상대적으로 비교함으로써 본 연구에서 제시된 조합 박막 연구가 효율적인 고처리량 방법론임을 검증하였고, 최적의 기계적 특성을 가진 비등원자 니켈-코발트-크로뮴 합금 조성을 성공적으로 식별할 수 있었다.
