Zum Oxidationsverhalten mittels High Power Pulsed Magnetron Sputtering (HPPMS) synthetisierter Hf1-xAlxB2 und (Hf0.2Zr0.2Ta0.2Nb0.2Ti0.2)1-yAlyB2-Dünnschichten mit massiver Al-Subplantation

• Antragsteller: Professor Jochen M. Schneider, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 506336880

Oxidationsbeständigkeit ist ein maßgebliches Designkriterium für keramische Ultrahochtemperatur-Werkstoffe in chemisch und thermisch herausfordernden Anwendungsumgebungen. Während der Oxidationswiderstand von HfB2 bereits untersucht wurde, ist der Oxidationswiderstand im System Hf1-xAlxB2 or (Hf0.2Zr0.2Ta0.2Nb0.2Ti0.2)1-yAlyB2 mit x and y zwischen 0 to 1 in Abhängigkeit von der Al-Konzentration bisher unerforscht. Materials Chemistry hat in vorangegangen Arbeiten die Synthese von einphasigen V1-xAlxN-Dünnschichten mit einer zuvor unerreichten Al-Konzentration von x=0,74 durch massive Al-Subplantation während der Abscheidung publiziert. Die Al-Übersättigung wurde durch eine Separation der schichtbildenden Spezies im Plasma in unterschiedliche Zeit- und Energiebereiche durch Synchronisation des gepulsten Substrat-Bias mit den mittels reaktivem High Power Pulsed Magnetron-Sputtering (HPPMS) erzeugten intensiven periodischen Ströme hochenergetischer Al-Ionen erreicht.Im beantragten Projekt sollen derartige massive Al-Ionenströme erstmals zur Synthese einphasiger Hf1-xAlxB2 and (Hf0.2Zr0.2Ta0.2Nb0.2Ti0.2)1-yAlyB2-Dünnschichten mit maximaler Al-Konzentration nach dem Subplantationsansatz von G. Greczynski und dem Antragsteller genutzt werden. Zusätzlich zu diesen Maximalkonzentrationen sollen Dünnschichten mit um jeweils 5 und 10% niedrigerer Al-Konzentration sowie ohne Al (Referenzprobe) in beiden Materialsystemen abgeschieden werden. Das Oxidationsverhalten von diesen je 4 Zusammensetzungen soll bei Temperaturen bis zu 1200 °C und Auslagerungszeiten bis zu 60 Minuten untersucht werden.Die hierdurch erarbeiteten Datensätze erlauben die direkte Bestimmung des temperaturabhängigen Oxidationsverhaltens, zeitabhängigen Oxidationsverhaltens, Al-konzentrationsabhängigen Oxidationsverhaltensmetastabiler Hf1-xAlxB2 and (Hf0.2Zr0.2Ta0.2Nb0.2Ti0.2)1-yAlyB2-Mischkristalle.Im Einzelnen sollen folgende Forschungsfragen beantwortet werden:1. Was ist die kritische Löslichkeitsgrenze (xmax, ymax) von Al in einphasigem Hf1-xAlxB2 und in (Hf0.2Zr0.2Ta0.2Nb0.2Ti0.2)1-yAlyB2?2. Wie verhält sich die Oxidation von einphasigem Hf1-xAlxmaxB2 und (Hf0.2Zr0.2Ta0.2Nb0.2Ti0.2)1-ymaxAlymaxB2 im Vergleich zu den korrespondierenden Phasen ohne Al?3. Wie beeinflusst die Al-Inkorporation die Oxidationskinetik von einphasigem Hf1-xAlxB2 und (Hf0.2Zr0.2Ta0.2Nb0.2Ti0.2)1-yAlyB2?Auf der Grundlage von spektroskopischen, diffraktometrischen und tomographischen Materialanalysen der oxidierten Dünnschichten mit den Ausgangsproben soll ein tiefgreifendes Verständnis des Einflusses der Al-Inkorporation auf das Oxidationsverhalten der hier untersuchten Materialsysteme erarbeitet werden. Diese Arbeiten sollen einen Beitrag zur zukünftigen Entwicklung von Diborid-Dünnschichten für Ultrahochtemperatur-Anwendungen liefern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen