Effect of Si alloying on the self-healing kinetics of Cr2AlC and phase formation of Nb2AlC thin films

Shang, Lin; Sloof, Willem G.; Schneider, Jochen Michael

doi:35698

Effect of Si alloying on the self-healing kinetics of Cr2AlC and phase formation of Nb2AlC thin films = Wirkung der Si-Legierung auf die Selbstheilungskinetik von Cr2AlC und Phasenbildung von Nb2AlC-Dünnschichten

Shang, Lin

2016 & 2017

VerantwortlichkeitsangabeLin Shang

ImpressumAachen : Shaker Verlag 2016

UmfangIX, 73 Seiten : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-8440-4799-8

ReiheMaterials chemistry dissertation ; 26

Dissertation, RWTH Aachen University, 2016

Druckausgabe: 2016. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2017

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Schneider, Jochen Michael (Thesis advisor)^RWTH* ; Sloof, Willem G. (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-05-27

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-088082
DOI: 10.18154/RWTH-2016-08808
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/673792/files/673792.PDF

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
MAX phase (frei) ; self-healing (frei) ; oxidation (frei) ; alloying (frei) ; phase formation (frei) ; combinatorial synthesis (frei) ; magnetron sputtering (frei) ; phase stability (frei) ; thin film (frei) ; ab initio calculations (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Im ersten Teil der Arbeit wird die Phasenstabilität von (Cr1-x,Mx)2(Al1-y,Ay)(C1-z,Xz) (M = Ti, Hf, Zr; A = Si, X = B, Raumgruppe P63 / mmc, Prototyp Cr2AlC) mittels ab initio-Berechnungen untersucht. Auf der Grundlage von Daten zur Mischungsenergie sowie Zustandsdichteanalysen (density of states analyses, DOS) werden (Cr1-x,Zrx)2AlC and (Cr1-x,Hfx)2AlC als instabile Phasen vorhergesagt, während (Cr1-x,Tix)2AlC, Cr2(Al1-y,Siy)C und Cr2Al(C1-z,Bz) als stabile bzw. metastabile Phasen errechnet werden. Die Zustandsdichteanalysen zeigen, dass geringe Unterschiede in der Position der Fermi-Level die Phasenstabilität beeinflussen: (Cr1-x,Zrx)2AlC und (Cr1-x,Hfx)2AlC werden als instabil bzw. metastabil vorhergesagt, da das Fermi-Niveau in einem Hochpunkt liegt, während für die Cr-dominierten Zustandsdichten im (Cr1-x,Tix)2AlC das Fermi-Niveau in einem Plateau liegt und somit auf Phasenstabilität hindeuten. Die Auswirkung dieser Ergebnisse auf die Schichtsynthese mittels Gasphasenkondensation von selbstheilenden Cr2AlC-Basiswerkstoffen wird diskutiert.Im zweiten Teil der Arbeit wird der Einfluss der Legierung mit Si auf die Selbstheilungskinetik von Cr2AlC-Dünnschichten untersucht. Cr2AlC- und Cr2Al1-xSixC (0 < x < 1)-Dünnschichten wurden mittels DC-Magnetronsputterns bei 600°C in einer Industrieanlage synthetisiert und anschließend bei 1120°C/4h an Luft oxidiert. Die chemische Zusammensetzung, Kristallstruktur und die Mikrostruktur der abgeschiedenen Schichten sowie der oxidierten Schichten wurde untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Legierung mit bis zum 0,7% Si führt zu einem Anstieg der Selbstheilungsrate um bis zu 40 ± 17%. Die Daten der Elektronenmikroskopie und Atomsondentomographie unterstützen das Konzept, dass die hier berichtete Si-Konzentrationinduzierte 40%ige Erhöhung der Selbstheilungsrate durch die Si-Konzentration induzierte, und somit die begleitende, Erhöhung der Nukleationsdichte des Heilungsmittel ermöglicht wird.Im letzten Teil der Arbeit wird der Zusammenhang zwischen der chemischen Zusammensetzung und der Phasenbildung in Nb-Al-C-Schichten mittels kombinatorischer Dünnschichtsynthese und ab initio-Berechnungen untersucht. Dünnschichten mit lateralem Zusammensetzungsgradienten wurden mittels DC-Magnetronsputterns mit elementaren Targets bei Substrattemperaturen von 710-870°C abgeschieden. In Bezug auf die Phasenbildung in Nb2AlC wurde die niedrigste Bildungstemperatur zwischen 710 und 750 °C gemessen. Diese Methode kann als Indikator für die Größe des A-Element Homogenitätsbereich in Mn+1AXn Phasen dienen. Die strukturellen und elastischen Eigenschaften von Nb2AlC bestimmt sind experimentell in sehr guter Übereinstimmung mit der ab initio berechneten Daten.

In the first part of this thesis, the phase stability of (Cr1-x,Mx)2(Al1-y,Ay)(C1-z,Xz) (M = Ti, Hf, Zr; A = Si, X = B, space group P63 / mmc, prototype Cr2AlC) was studied using ab initio calculations. Based on the energy of mixing data as well as the density of states (DOS) analysis, (Cr1-x,Zrx)2AlC and (Cr1-x,Hfx)2AlC are predicted to be unstable, whereas (Cr1-x,Tix)2AlC, Cr2(Al1-y,Siy)C and Cr2Al(C1-z,Bz) are predicted to be stable or metastable. The density of states analysis reveals that small differences in the position of the Fermi level alters the phase stability: (Cr1-x,Zrx)2AlC and (Cr1-x,Hfx)2AlC are predicted to be unstable or metastable as the Fermi level lies at a peak position. While the Cr dominated DOS for (Cr1-x,Tix)2AlC plateaus at the Fermi level indicating stability. Implications of these results for the vapour phase condensation of self-healing Cr2AlC based materials are discussed.The second part of the thesis deals with the effect of Si alloying on the self-healing kinetics of Cr2AlC films. Cr2AlC and Cr2Al1-xSixC (0 < x < 1) films were synthesized by DC magnetron sputtering at 600 °C in an industrial chamber. Oxidation experiments were performed at 1120 °C in air for 4 hours for the Cr2AlC and Cr2Al1-xSixC (0 < x ≤ 0.06) films. The crystal structure, microstructure and chemical composition of the as-deposited as well as oxidized films have been investigated. It was found that alloying Cr2AlC with up to 0.7 at% Si causes an increase in self-healing rate of up to 40 ± 17%. Electron microscopy and atom probe tomography data support the notion that the here reported Si concentration induced 40% increase in self-healing rate is enabled by the Si concentration induced, and hence concomitant, increase in nucleation density of the healing agent.In the last part of the thesis, the relationship between chemical composition and phase formation of Nb-Al-C thin films was studied by combinatorial thin film synthesis and ab initio calculations. Thin films with lateral chemical composition gradients were synthesized by DC magnetron sputtering using elemental targets at substrate temperatures of 710-870 °C. The lowest formation temperature for Nb2AlC is between 710 and 750 °C. A predominantly single phase Nb2AlC region where 99% of the X-ray diffraction intensity originates from Nb2AlC was identified. Furthermore, selected area electron diffraction analysis reveals the local formation of single phase Nb2AlC. The limited Al solubility in Nb2AlC compared with Cr2AlC can be readily understood by comparing the defect formation energy of Al substituting Nb and Cr in Nb2AlC and Cr2AlC, respectively. This methodology may serve as indicator for the magnitude of the A-element homogeneity range in Mn+1AXn phases. The structural and elastic properties of Nb2AlC determined experimentally are in very good agreement with the ab initio calculated data.

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