Intermetallische Dünnschichtwerkstoffe im System Ru-Al-X (X: Cr, Hf, Cu): Konzepte zur gezielten Phasenbildung und Einstellung der Mikrostruktur in nanoskaligen Schichten in der Hochleistungskathodenzerstäubung

Die Synthese komplexer, mehrelementiger, metallischer Werkstoffe kann über ein breites Spektrum an potenziellen Prozessrouten realisiert werden, um maßgeschneiderte Eigenschaften für eine Vielzahl von Anwendungen gezielt einzustellen. Intermetallische Phasen finden dabei vor allem im Bereich der Hochtemperaturwerkstoffe Einsatz, für welche eine Kombination aus hohem Schmelzpunkt, guter Kriechbeständigkeit, hoher Wärmeleitfähigkeit sowie guter Oxidationsbeständigkeit gefordert wird. Die Materialklasse der Aluminide in der kubischen B2-Struktur vereint diese Eigenschaften. ... mehrIhr sprödes Werkstoffverhalten bei Raumtemperatur erschwert jedoch eine Verarbeitung und auch eine mögliche Anwendung. Rutheniumaluminid (RuAl) bildet hierbei eine Ausnahme und zeigt aufgrund seiner Versetzungsstruktur ein vergleichsmäßig duktiles Verhalten. Ein Beschichtungsverfahren, wie das Hochleistungskathodenzerstäuben, ermöglicht es Schichtwerkstoffe solcher intermetallischen Phasen mit gezielt einstellbaren Mikrostrukturen zu synthetisieren, um die daraus resultierenden Eigenschaften der Anwendung anzupassen. Die plasmaphysikalischen Randbedingungen der Schichtabscheidung bestimmen dabei maßgeblich das Schichtwachstum sowie die Zusammensetzung der entstehenden Dünnschichten. Wie sich dies im Fall der Abscheidung der RuAl-Phase darstellt, wird anhand der Zerstäubung einer pulvermetallurgischen Ru-Al-Kathode mit einer 50/50 Zusammensetzung, bei unterschiedlichen Prozessgasdrücken und dem Einfluss auf die Bildung der intermetallischen RuAl-Phase, gezeigt. Ein neuer Ansatz zur Bildung komplexer Phasen zeigt, wie die maßgeschneiderte Werkstoffauswahl, die Abscheidung, das nanoskalige Design und eine geeignete Nachbehandlung von Viellagenschichten neue Möglichkeiten der Werkstoff- und Legierungsentwicklung eröffnet. In dieser Arbeit wird dieser innovative Ansatz über die thermisch induzierte Phasenbildung in Viellagenschichten und deren Auswirkung der Modulationslänge auf die Mikrostrukturen der Ausgangszustände sowie auf die auftretende Phasensequenz beschrieben. Nanoskalige Viellagenschichten bieten hier die Möglichkeit über die Einstellung der Grenzflächencharakteristika, der Konzentrationsgradienten sowie der mikrostrukturellen Beschaffenheiten der einzelnen Lagen spezifische Phasen bevorzugt zu bilden, wobei auch metastabile Zustände auftreten können. Verschiedene theoretische und empirische Modelle beschreiben, inwiefern sich diese mikroskopischen Zustände auf die Thermodynamik und Kinetik solcher Schichten auswirken. Grundsätzlich werden thermodynamisch stabile Phasen durch eine Minimierung der freien Enthalpie ∆G gebildet. Die Bildung und das Wachstum von Phasen in Viellagensystemen hingegen wird durch kinetische Aspekte dominiert, wodurch die Phasenbildung nicht über die Annahmen eines thermodynamischen Gleichgewichts getroffen werden können. In diesem Zusammenhang wird demonstriert, wie die Phasenbildung im System Ru-Al durch die gezielte Steuerung der Modulationslänge des Viellagenverbunds eingestellt werden kann. Die Analyse erfolgt unter Anwendung des Verfahrens der in-situ Hochtempe-ratur-XRD sowie diverser Methoden der Elektronenmikroskopie. Im Rahmen der Untersuchung wurden systematische Phasenbildungssequenzen ermittelt, die von einem mehrstufigen Phasenbildungsprozess für große Doppellagendicken (160 nm) bis zur direkten Phasenbildung der RuAl-Phase aus der elementaren Viellagenstruktur in nanoskaligen Systemen reicht. Inwiefern sich das Konzept der direkten Phasenbildung auch auf komplexere, ternäre Systeme ausweiten lässt, wird anhand der Teilsubstitution der Ru-Lagen, durch Einbringen einer weiteren Lage des Elements X (X = Hf, Cr, Cu) in einem ABC-Lagenaufbau, untersucht. Neben der Änderung der Gesamtzusammensetzung, zeigen die Legierungselemente auch einen deutlichen Einfluss auf die Mikrostruktur der jeweiligen Lagen im Ausgangszustand. Im Rahmen der sich ausbildenden Phasensequenz während der Wärmenachbehandlung zeigen die Systeme unterschiedliche Charakteristika und Bildungstemperaturen der jeweiligen Phasen. Folglich kann das Legierungselement gezielt zur Steuerung der Phasenbildung beitragen, was insbesondere bei großen Modulationslängen zum Tragen kommt. Es konnte festgestellt werden, dass sich bei nanoskaligen Designs der Viellagenschichten mit hohen Grenzflächenvolumina, flachen Konzentrationsgradienten und kurzen Diffusionswegen eine Tendenz zur bevorzugten Bildung von Phasen mit einfacher Kristallstruktur beobachten lässt. Der Aufbau der Viellagen ermöglicht demnach eine gezielte Unterdrückung der Phasenbildung unerwünschter Zwischenphasen und begünstigt die direkte Keimbildung der B2-Phase. In der Folge können neuartige Werkstoffe in Form ternärer Mischkristalle (Ru,X)Al mit X = Hf, Cr, Cu in B2 Struktur außerhalb des thermodynamischen Gleichgewichts realisiert werden.

The synthesis of complex, multi-element metallic materials can be achieved via a wide range of potential process routes, thus enabling the modification of their properties for a variety of applications. Intermetallic phases are primarily used in the field of high-temperature materials, for which a combination of high melting point, good creep resistance, high thermal conductivity and good oxidation resistance is required. Aluminides in the cubic B2 structure represent a class of materials that combine these properties. However, a disadvantage associated with this material is its brittle material behavior at room temperature, which can impede processing and application in certain instances. ... mehrRuthenium aluminide (RuAl) is an exception in this respect, exhibiting comparably ductile behavior due to its dislocation structure. The utilization of a coating process, such as magnetron sputtering, facilitates the synthesis of coating materials with meticulously adjustable microstructures. This enables the adaptation of the resulting properties to the specific requirements of the application. It is evident that the plasmaphysical boundary conditions of the coating deposition process exert a substantial influence on both, the coating growth process and the composition of the resulting thin films. The representation of the deposition of the RuAl phase is demonstrated through the sputtering of a powder metallurgical Ru-Al target at varying process gas pressures, elucidating the impact on the formation of the intermetallic RuAl phase. A novel approach to the formation of complex phases, such as the deposition of multilayer coatings, has been developed. This approach demonstrates new possibilities for layer synthesis via the thermally induced phase formation in multilayer coatings. In addition it elucidates the modulation length's effect on the microstructures of the initial states and the occurring phase sequence. Multilayer systems offer the possibility of preferentially forming specific phases by adjusting the interface characteristics, the concentration gradients and the microstructural properties of the individual layers. Metastable states can also occur in such systems. A plethora of theoretical and empirical models have been proposed to describe the extent to which these microscopic states affect the thermodynamics and kinetics of such layers. In principle thermodynamically stable phases are formed by minimizing the free enthalpy ∆G. However, in multilayer systems, kinetic aspects dominate, meaning that phase formation cannot be based on assumptions of thermodynamic equilibrium. In this context, the paper demonstrates how the phase formation in the Ru-Al system can be adjusted by specifically controlling the modulation length of the multilayer composite. The analysis is conducted using the method of in-situ high-temperature XRD analysis and various electron microscopy techniques. As part of the investigation a systematic phase formation sequence was determined, ranging from a multi-step phase formation process for large bilayer thicknesses (160 nm) to a direct phase formation of the RuAl phase from the elementary multilayer structure in nanoscale multilayers. The present study investigates the potential extension of the concept of direct phase formation to more complex ternary systems. This is achieved by partial substitution of the Ru layers through the introduction of a further layer of element X (X=Hf, Cr, Cu) within an ABC-layer-structure. In addition to the change in the overall composition, the alloying elements also have a clear influence on the microstructure of the respective layers in the initial state. The systems demonstrate varying characteristics and formation temperatures for the respective phases, which are components of the phase sequence that is established during the post-heat treatment process. Consequently, the alloying element can specifically contribute to controlling the phase formation, which is particularly important for long modulation lengths. It was found that nanoscale multilayer designs with high interfacial volumes, flat concentration gradients and short diffusion paths tend to favor the formation of phases with a simple crystal structure. The structure of the multilayers therefore enables a targeted suppression of the phase formation of undesired intermediate phases and favors the direct nucleation of the B2 phase. As a result, novel materials in the form of ternary solid solutions of a (Ru,X)Al type in the B2-structure can be realized outside the thermodynamic equilibrium.