Thermal stability and oxidation behavior of magnetron sputtered Mo-Si-B Thin films

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDiplomarbeit

Autoren

Abstract

Refraktär Metalle, wie z.B. Molybdän, besitzen die höchsten Schmelzpunkte unter allen reinen Elementen und sind daher vor allem für Hochtemperaturanwendungen sehr interessant. Für Hochtemperaturanwendungen sind sowohl die Eigenschaften des Grundmaterials, als auch eine thermisch stabile Schutzschicht wichtig. Eines dieser Systeme, welches immer mehr Beachtung im Bereich der Hochtemperaturforschung findet, sind Molybdän-Legierungen. Obwohl Mo einen sehr hohen Schmelzpunkt aufweist ist die schlechte Oxidationsbeständigkeit bei Temperaturen über 400°C einsatzbegrenzend. Hohe Temperaturen führen zum Verdampfen des Oxides (MoO3) und einem drastischen Massenverlust. Zulegieren von Silizium erhöht die Temperaturbeständigkeit von Mo bei hohen Temperaturen, da es dadurch zur Bildung einer schützenden SiO2 Schicht kommt. Um die Legierung auch bei niedrigen Temperaturen zu schützen, wird Bor zulegiert, welches unter oxidativer Atmosphäre eine glasähnliche B2O3 Schicht bildet. Die Oxidationsbeständigkeit wird von den Phasen beeinflusst, die vorher im System eingestellt wurden. Die bedeutendsten Phasen im Dreiphasensystems Mo(1-x-y)-Si(x)B(y), sind die binären Phasen Mo3Si(A15), Mo5Si3(D8m), MoSi2(C11) und die sogenannte T2-Phase (Mo5SiB2). Der Mengenanteil der T2 Phase beeinflusst stark die Oxidationsbeständigkeit, diese muss aber durch zusätzliche vorangehende Behandlung, wie z.B. Vakuumglühen, eingestellt werden. In dieser Arbeit wurden Schichten mit verschiedenen chemischen Zusammensetzungen Mo(1-x-y)Si(x)B(y) durch PVD Magnetron Sputtern hergestellt und auf ihre strukturellen und mechanischen Eigenschaften untersucht. Durch sowohl drei elementare Targets als auch ein Mo-Si Composite-Target und ein elementares Bor-Target konnten verschiedene Zusammensetzungen eingestellt werden. Direkt nach der Beschichtung konnte bei keiner Zusammensetzung eine T2 Phase detektiert werden, lediglich die oben erwähnten binären Phasen (hauptsächlich Mo5Si3 und Mo3Si) lagen vor. Mit zunehmendem Bor-Gehalt stellte sich vor allem auch eine XRD amorpher Struktur ein. Die Härte der hergestellten Schichten zeigte einen Anstieg auf ca. 20GPa, bei mehr als 5 at% Silizium und Bor, mit zunehmendem Legierungsanteil. Durch eine Wärmebehandlung der Schichten in Vakuum bei 900, 1100 und 1300°C wurde deren thermische Stabilität und Phasenentwicklung untersucht. Bereits ab 900 °C kam es zu einem Auftreten der gewünschten T2 Phase und bei den XRD amorphen Schichten zur Kristallisation. In weiterer Folge kam es zu keiner weiteren Veränderung der Strukturen. Die Härte der Schichten zeigte durch die Wärmebehandlung einen weiteren Anstieg für alle B/Si Verhältnisse. Dabei zeigt vor allem die Mo0.53Si0.37B0.10 Schicht eine maximale Härte von 26GPa, aufgrund der Bildung der T2–Phase. Oxidationsversuche für eine Stunde bei 900, 1100 und 1300°C zeigten eine ausgezeichnete Oxidationsbeständigkeit der Schichten über einem weiten Zusammensetzungsbereich mit unterschiedlichen B/Si Verhältnissen. XRD Analysen zeigen, dass sich vor allem bei den beständigsten Schichten die T2-Phase auch während der Oxidationsversuche bei hohen Temperaturen bildet. Mittels EDX Linienscans wurden die jeweilige verbleibenden Schichtdicken bestimmt und die Schicht mit dem höchsten B/Si Verhältnis (Mo0.58Si0.28B0.14) stellte sich als die Schicht mit den besten Eigenschaften heraus. Diese chemische Zusammensetzung wies kaum Verlust an Schichtdicke durch die Oxidation auf, als auch eine T2 Struktur nach dem Oxidieren. In dieser Studie konnten die bestehenden Theorien über den Einfluss des B/Si Verhältnis auf die Oxidationsbeständigkeit experimentell bestätigt werden. Es konnte aber auch vielmehr gezeigt werde, dass in dünnen Schichten eine vorangehende Wärmebehandlung nicht notwendig ist um eine T2 Phase einzustellen. Diese bildet sich bei einer Oxidationsbehandlung ausreichend schnell um eine schützende Oxidschicht zu ermöglichen.

Details

Titel in ÜbersetzungThermische Stabilität und Oxidationsverhalten von Magnetron gesputterten Mo-Si-B Schichten
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDipl.-Ing.
Betreuer/-in / Berater/-in
Datum der Bewilligung27 Juni 2014
StatusVeröffentlicht - 2014