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Synthesis and characterization of Mo-B based protective coatings

Achenbach, Jan-Ole^RWTH*

2020

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Jan-Ole Achenbach, M. Sc.

ImpressumAachen 2020

Umfang1 Online-Ressource (XV, 80 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

ReiheMaterials Chemistry dissertation ; 33 (2020)

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Schneider, Jochen M. (Thesis advisor)^RWTH* ; Mayrhofer, Paul H. (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-06-24

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-07299
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/793958/files/793958.pdf

Einrichtungen

1. Lehrstuhl für Werkstoffchemie (521110)
2. Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik (520000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Mo2BC (frei) ; MoAlB (frei) ; Monte Carlo Simulation (frei) ; coatings (frei) ; density functional theory (frei) ; high resolution transmission electron microscopy (frei) ; oxidation (frei) ; physical vapor deposition (frei) ; scattering (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Der erste Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der experimentellen und theoretischen Untersuchung der winkelabhängigen Zusammensetzungsentwicklung von Mo2BC Dünnschichten synthetisiert von einem Mo2BC Komposit-Target. Die Beschichtungen wurden mittels Gleichstrommagnetronsputtern sowohl in Ar als auch in Kr in einem Druckbereich von 0.09 bis 0.98 Pa durchgeführt. Während der Beschichtungen wurden die Proben im spezifischen Winkelbereichen α von 0 bis ±67.5° hinsichtlich der Target-normalen ausgerichtet. Ein auf TRIDYN und SIMTRA basierendes Modell wurde verwendet, um den Einfluss des Sputtergases auf die Winkelverteilungsfunktion der gesputterten Spezies am Target, deren Transport durch die Gasphase, sowie die chemische Zusammensetzung am Substrat zu berechnen. Experimentelle und simulierte druck- und sputtergasabhängige Dünnschichtzusammensetzungen zeigten eine gute Übereinstimmung. Bei der Verwendung von Ar lagen die druckinduzierten Änderungen der Zusammensetzung bei einzelnen α innerhalb der EDX Messgenauigkeit. Hingegen führte eine Kr Druckerhöhung von einer Größenordnung zu einem Anstieg im Mo Gehalt bei α = 0° von 36 zu 43 at. %. Es wurde gezeigt, dass das Masseverhältnis vom Sputtergas und gesputterten Spezies nicht nur die Streuung innerhalb der Kollisionskaskaden im Target, sondern auch die Streuung durch Gasphasenkollision und somit letztendlich die winkel- und druckabhängige Schichtzusammensetzung definiert. Im zweiten Teil wird das Niedertemperatur-Oxidationsverhalten von kristallinen Mo2BC Dünnschichten systematisch untersucht. Mo2BC zeichnet sich durch eine einzigartige Kombination von hoher Steifigkeit und moderater Duktilität aus, welche die Verwendungen von Mo2BC als Verschleißschutzschicht ermöglicht. Das Oxidationsverhalten von Mo2BC bei geringen Temperaturen wurde noch nicht erforscht. Deshalb wurden gleichstrommagnetrongesputterte Mo2BC Schichten in einem Temperaturbereich von 500 bis 100°C für bis zu 28 Tage oxidiert. Elastische Rückstreudetektionsanalyse zeigte den Beginn der Oxidation bei ungefähr 300°C, welche durch einen signifikanten Anstieg im Sauerstoffgehalt festgestellt werden konnte. Kristalline Oxidschichten, die orthorhombisches MoO3 beinhalten, wurden erstmals nach Oxidation für 15 min bei 500°C und nach 10 Tagen bei 200°C beobachtet. Isotherme Oxidation für 14 Tage bei 200 und 100°C resultierten in Oxidschichtdicken von 401 nm ± 33 nm und 22 nm ± 10 nm. Die Probe oxidiert für 28 Tage bei 100°C zeigt eine Oxidschichtdicke von 13 nm ± 3 nm welche vergleichbar zur vorher genannten Oxidschichtdicke nach Oxidation für 14 Tage bei 100°C ist. Die Kombination aus mechanischen Eigenschaften mit dem hier untersuchten Oxidationsverhalten bei niedrigen Temperaturen qualifiziert Mo2BC Schichten für eine Anwendung in der Massivholzbearbeitung und in Niedrigtemperatur-Umformprozessen bei Temperaturen nahe 100°C oder niedriger. Im dritten und letzten Teil dieser Arbeit wird die erste Dünnschichtensynthese von MoAlB kommuniziert. Über MoAlB wurde berichtet, dass es das einzige oxidationsresistente Übergangsmetall-Borid ist, da es eine dichte und adhärente Aluminiumoxidschicht bildet. Mittels Röntgenbeugung wurde die Bildung von phasenreinem MoAlB beobachtet. Energiedispersive Röntgenspektroskopie, durchgeführt in einem Transmissions-elektronenmikroskop, zeigte sowohl Al- als auch O-reiche Regionen in der MoAlB Matrix. Der Vergleich der gebildeten Oxidschichtdicke auf MoAlB Dünnschichten mit extrapolierten Werten für Bulkproben zeigte, dass das Oxidationsverhalten von Dünnschichten und Bulkproben vergleichbar ist. Weiterhin wiesen MoAlB Dünnschichten eine signifikant geringere Oxidationskinetik im Vergleich zu Ti2AlC Bulkproben auf. Zusätzlich stimmten die gemessenen elastischen Eigenschaften von MoAlB mit den ab initio Vorhersagen überein.

In the first part of this thesis, the angle-resolved composition evolution of Mo-B-C thin films deposited from a Mo2BC compound target is investigated experimentally and theoretically. Depositions were carried out by direct current magnetron sputtering (DCMS) in a pressure range from 0.09 to 0.98 Pa in Ar and Kr. The substrates were placed at specific angles α with respect to the target normal from 0 to ± 67.5°. A model based on TRIDYN and SIMTRA was used to calculate the influence of the sputtering gas on the angular distribution function of the sputtered species at the target, their transport through the gas phase and film composition. Experimental pressure and sputtering gas dependent thin film chemical composition data were in good agreement with simulated angle-resolved film composition data. In Ar, the pressure-induced film composition variations at a particular α were within the error of the EDX measurements. Contrary, an order of magnitude increase in Kr pressure resulted in an increase of the Mo concentration measured at α = 0° from 36 to 43 at. %. It is shown that the mass ratio between sputtering gas and sputtered species defines the scattering angle within the collision cascades in the target, as well as for the collisions in the gas phase, which in turn define the angle- and pressure-dependent film compositions. In the second part, the low temperature oxidation behavior of crystalline Mo2BC thin films was systematically investigated. Mo2BC exhibits a unique combination of high stiffness and moderate ductility, enabling the application as protective and wear resistant coating. As the low temperature oxidation behavior of Mo2BC coatings is unexplored, direct current magnetron sputtered Mo2BC coatings were oxidized at temperatures ranging from 500 to 100°C for up to 28 days. Time-of-Flight elastic recoil detection analysis reveals that the onset of oxidation takes place at approximately 300°C as a significant increase in the O content was observed. Crystalline oxide scales containing orthorhombic MoO3 were identified after oxidation for 15 min at 500°C and 10 days at 200°C. Isothermal oxidation at 200 and 100°C exhibit oxide scale thicknesses of 401 nm ± 33 nm and 22 nm ± 10 nm after 14 days. Oxidation for 28 days at 100 °C exhibits an oxide scale thickness of 13 nm ± 3 nm which is comparable to the aforementioned oxide scale thickness after oxidation for 14 days at 100°C. Based on the combination of mechanical properties and the here reported low temperature oxidation behavior Mo2BC coatings qualify for application in solid wood machining and low temperature forming processes at temperatures close to 100°C or below. In the third and last part of this thesis, the first thin film synthesis of MoAlB coatings is communicated. MoAlB was reported to be the only oxidation resistant transition metal boride as it forms a dense, adherent alumina scale. While, based on X-ray diffraction investigations, the formation of phase pure orthorhombic MoAlB coatings was observed, energy dispersive X-ray spectroscopy carried out in a scanning transmission electron microscope revealed the presence of Al-rich and O-rich regions within the MoAlB matrix. The oxidation kinetics of coatings and bulk was comparable as the scale thickness formed on the MoAlB coating after oxidation at 1200°C for 30 minutes was similar to the one extrapolated for bulk MoAlB. Furthermore, the oxidation kinetics of MoAlB coatings was significantly lower as the one reported for bulk Ti2AlC. Finally, the elastic properties measured for the as deposited coatings were consistent with ab initio predictions.

OpenAccess:
PDF
(additional files)

Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis/Book

Format
online

Sprache
English

Externe Identnummern
HBZ: HT020527417

Interne Identnummern
RWTH-2020-07299
Datensatz-ID: 793958

Beteiligte Länder
Germany