Age Hardening in Transition Metal Aluminium Nitride Thin Films Studied at the Atomic Scale

Titel in Übersetzung: Atomistische Untersuchungen des Aushärtungsverhaltens in Übergangsmetall-Aluminium-Nitrid Dünnschichtsystemen

Richard Rachbauer

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

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Abstract

Die Einsatzmöglichkeiten und Lebensdauer industriell eingesetzter Werkzeuge und Komponenten im Maschinenbau, optischen oder elektronischen Anwendungen, sind grundlegend durch die spezifischen Einsatzbedingungen, wie z. B. Lastkollektiv, Umgebungsatomsphäre sowie Einsatztemperatur bestimmt. Nanostrukturierte Funktionsschichten gelten besonders für Hochtemperaturanwendungen als Schlüsseltechnologie, da sie unter anderem zum Schutz von Werkzeugen in der Zerspanungsindustrie oder Komponenten in der Automobilbranche ihre Anwendung finden und zunehmend auch für Diffusionsbarrieren, Wärmeableiter oder Licht emittierende Dioden eingesetzt werden. Speziell Übergangsmetall-Aluminium-Nitride (TM-Al-N) erlangen zunehmend industrielles Interesse, da sie sich durch exzellente physikalische und chemische Eigenschaften unter erhöhten Einsatztemperaturen, wie beispielsweise hervorragende Oxidationsbeständigkeit oder ansteigende Härte mit steigender Temperatur (bekannt als age hardening), auszeichnen. Die Zielsetzung des ersten Arbeitspaketes war es die Vorgänge während des age hardenings von kubischem Ti1-xAlxN auf atomarer Ebene zu untersuchen. Hierbei wurden vor allem analytische Methoden, wie z. B. Atomsondentomographie, hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie, Nanoindentation oder Röntgendiffraktometrie, angewendet, um die Veränderung der Nanostrukutur von metastabilen Ti1-xAlxN Mischkristallen als Funktion der Temperatur zu beleuchten. Es konnte gezeigt werden, dass die Ursache für den Härteanstieg von kubischem Ti1-xAlxN bei erhöhten Temperaturen auf die Ausbildung eines dreidimensionalen Netzwerks, bestehend aus kubischen TiN- und AlN-reichen Bereichen innerhalb der Ti1-xAlxN Kristalle aufgrund spinodaler Entmischung, zurückzuführen ist. Dieser Vorgang bewirkt einen Anstieg der Kohärenzspannungen zwischen den kubischen Domänen und erschwert die Versetzungsbewegung, was sich als Härteanstieg bemerkbar macht. Ausreichend hohe Temperaturen, bzw. entsprechende Temperaturen mit entsprechender Haltedauer, bewirken eine Phasenumwandlung der kubischen AlN-angereicherten Domänen in die thermodynamisch stabile hexagonale Wurtzit-Struktur, was die Ausbildung einer zweiphasigen Struktur mit verringerten mechanischen Kennwerten bewirkt. Im zweiten Abschnitt dieser Arbeit wird eine Kombination aus quantenmechanischen Berechnungen (Elektronendichte-Funktional-Theorie, DFT) und Experimenten vorgestellt, welche den Einfluss von Übergangsmetallen (Y, Hf, Nb oder Ta) im Hinblick auf eine Steigerung der thermischem Stabilität von kubischem Ti1-xAlxN untersucht. Dabei wird vor allem der Legierungseffekt in kubischen Ti1-x-yAlxTMyN Legierungen, mit Al-Gehalten nahe der metastabilen kubischen Löslichkeitsgrenze, auf die Ausbildung der Struktur im Zuge der physikalischen Gasphasenabscheidung beleuchtet. Weiters wird die nanostrukturelle Entwicklung mit mechanischen und thermischen Eigenschaften als Funktion der Temperatur verknüpft. Die Experimente erzielen eine ausgezeichnete Übereinstimmung mit den ab initio Vorhersagen und zeigen eine signifikante Verbesserung der thermischen Stabilität bereits für Ta-Beimengungen von ~1.5 %. Um eine ähnliche Verbesserung der Hochtemperatureigenschaften zu erreichen sind 2.5 bis 5 at.% Nb bzw. Hf notwendig, während jedoch das Legieren mit Y die Ausbildung der hexagonalen Ti1-x-yAlxTMyN Modifikation begünstigt, welche eine Verringerung der mechanischen und thermischen Eigenschaften nach sich zieht.
Titel in ÜbersetzungAtomistische Untersuchungen des Aushärtungsverhaltens in Übergangsmetall-Aluminium-Nitrid Dünnschichtsystemen
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Dehm, Gerhard, Beurteiler A (intern)
  • Mayrhofer, Paul Heinz, Betreuer (intern)
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2011

Bibliographische Notiz

nicht gesperrt

Schlagwörter

  • Aushärtung
  • spinodale Entmischung
  • Phasenstabilität
  • Thermische Stabilität
  • Oxidation
  • Atomsonde
  • 3D-APT
  • HRTEM
  • HR-TEM
  • ab initio
  • DFT
  • TiAlN
  • Ti-Al-N
  • TiAlYN
  • Ti-Al-Y-N
  • TiAlNbN
  • Ti-Al-Nb-N
  • TiAlHfN
  • Ti-Al-Hf-N
  • TiAlTaN
  • Ti-Al-Ta-N

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