Influence of Al on Structure and Mechanical Properties of YN and HfN

Titel in Übersetzung: Einfluss von Al auf die Struktur und mechanischen Eigenschaften von YN und HfN

Lan Wang

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDiplomarbeit

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Abstract

Nitride der Übergangsmetalle (TMN) werden im industriellen Maßstab für eine Vielzahl von Anwendungen herangezogen. Im Vergleich zu ihren Reinmetallen, zeichnen sich TMN vor allem durch ihre hohe Härte, Verschleißbeständigkeit, aber auch im Besonderen durch ihre exzellenten Korrosions- und Oxidationseigenschaften aus. Hochleistungsanwendungen, wie z.B. in der Zerspanungsindustrie, erfordern zunehmend neue Legierungskonzepte da die binären TMN oft bereits an der Grenze ihrer physikalischen und chemischen Belastbarkeit sind. Aufgrund der besonders guten Stabilität von Aluminiumoxiden im Vergleich zu anderen Übergangsmetalloxiden nimmt die systematische Untersuchung von ternären Al-legierten TMN Verbindungen derzeit einen hohen technologischen Stellenwert ein. Allerdings ist die Löslichkeit von Al in TMN sehr begrenzt, was zu einer Vielzahl an möglichen Phasen führt. Im Zuge dieser Arbeit werden die binären und ternären Systeme Y-N, Y-Al-N und Hf-Al-N in Bezug auf ihre Struktur, mechanischen Eigenschaften und Oxidationsbeständigkeit in Abhängigkeit des Al-Gehalts untersucht. Die untersuchten Schichten wurden mittels plasmaunterstützter Kathodenzerstäubung in N2/Ar Atmosphäre, einer Bias-Spannung von -50 V, einer Target-Leistungsdichte von ~9 W/cm2 und einer Beschichtungstemperatur von 500 °C, hergestellt. Alle YNz Schichten oxidierten vollständig sobald sie in Umgebungsbedingungen untersucht wurden. Durch Zulegieren von Al wurden Y1-xAlxN Schichten (0.29 <x <0.59) hergestellt und das Oxidwachstum über einen Zeitraum von fünf Wochen untersucht. Kubisches (c; B1, NaCl-Struktur) Y1-xAlxN ist bis zu x = 0.37 stabil, bevor sich ein Zweiphasenbereich (kubisch und wurtzitisch), bzw. wiederum eine einphasig wurtzitische (w; B4, ZnS-Struktur) Struktur, w-Y1-xAlxN, bei Al-Gehalten von x > 0.56 ausbildet. Die Oxidation der Y1-xAlxN Schichten nahm sukzessive ab und konnte ab einem Al-Gehalt von x > 0.52 nicht mehr festgestellt werden. Im Gegensatz zu Y1-xAlxN, zeigten die hergestellten Hf1-xAlxN Schichten im Bereich von 0.23 <x <0.77 keine Oxidation bei Raumtemperatur und Umgebungsbedingungen. Das Auftreten einer zweiphasigen Mikrostruktur begründet den Härteabfall mit zunehmendem wurtzitischen Phasenanteil von ~25.2 GPa (x = 0.23) zu ~23.9 GPa (x = 0.33), bevor höhere Al-Gehalte (x > 0.38) zur Ausbildung eines einphasigen w-Hf1-xAlxN führen. Die zunehmende Kristallqualität bei hohen Al-Gehalten führt wiederum zu einem leichten Härteanstieg (19.7 GPa für x = 0.38 zu ~21.2 GPa für x = 0.77). Zusammenfassend kann das Zulegieren von Al zu c-YN und c-HfN, mit dem Ziel die Oxidationsbeständigkeit bei Raumatmosphäre zu gewährleisten, positiv beurteilt werden. Weiters hängen Struktur und mechanische Eigenschaften der Y1-xAlxN und Hf1-xAlxN Schichten sehr stark vom Al-Gehalt ab. Diese Studie trägt vor allem für das Verständnis der Phasenstabilitäten und deren Bedeutung für die gezielte Legierungsentwicklung von Hochleistungsmaterialien für die Anwendung bei hohen Temperaturen bei.
Titel in ÜbersetzungEinfluss von Al auf die Struktur und mechanischen Eigenschaften von YN und HfN
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDipl.-Ing.
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Rachbauer, Richard, Mitbetreuer (intern)
  • Mayrhofer, Paul Heinz, Betreuer (intern)
Datum der Bewilligung1 Juli 2011
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2011

Bibliographische Notiz

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Schlagwörter

  • Y-Al-N
  • Hf-Al-N
  • Struktur
  • Härte
  • Phasenstabilität

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