Oxidation - and oxygen diffusion - behaviour in hafnium based thin films analysed with a ToF-SIMS

Abstract

The need for new ultra high-temperature coating material, with phase stability and oxidation resistivity over 2000 C increased rapidly. Especially aviation and power generation industry, where certain high-performance components are exposed to an extreme environment ask for new advances. Because of their uniquely high melt- ing points and their excellent mechanical properties are hafnium based compounds considered to be promising candidates for new high-temperature resistant coating materials.In this thesis the oxidation and oxygen diffusion behaviour of HfB2 and HfN thin films were investigated and compared to those of Hf by analysing depth profiles obtained with a Time of Flight Secondary Ion Mass Spectrometer (ToF-SIMS) - an outstanding and unique method for solid surface analysis.Thin films of Hf, HfB2 and HfN were deposited by magnetron sputtering and oxi- dised in a differential thermal analysis (DTA)/-thermo-gravimetric analysis (TGA) system. Depth profiles of both as-deposited and oxidised samples were analysed and additionally compared to cross-section images of the oxidised samples obtained by a Scanning Electron Microscope (SEM).To determine the oxygen permeability of the respective oxide layer on top of the Hf, HfB2 and HfN coatings, a previously oxidised sample of each coating material was reheated to the same temperature in an 18O atmosphere and the 18O signal in a ToF-SIMS depth profile before and after the process was compared.Hf thin films were found to be a lot less resistive than the non-metal hafnium com- pounds against both oxidation and oxygen diffusion. Moreover, it was determined that HfB2 and HfN thin films show similar resistivity against oxidation and oxy- gen diffusion at lower temperatures but at higher temperature HfB2 outperforms HfN making HfB2 a potential seminal candidate for protective coatings of highly stressed aeroplane components.

Die Nachfrage an neuen Ultrahochtemperatur-Materialbeschichtungen, mit einer Phasenstabilität- und Oxidationsbeständigkeit von über 2000 C steigt kontinuier- lich an, besonders in der Flugfahrt und Kraftwerksindustrie.Aufgrund ihrer einzigartig hohen Schmelzpunkte und hervorragenden mechanis- chen Eigenschaften gelten hafniumbasierende Materialien wie HfB2 und HfN als vielversprechende Kandidaten für neue hochtemperaturbeständige Beschichtungs- materialien.In dieser Arbeit wurde das Oxidations- und Sauerstoffdiffusionsverhalten von HfB2- und HfN-Dünnfilmen untersucht und mit dem von Hf durch die Analyse von Tiefen- profilen verglichen, welche mit Hilfe eines Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometers (ToF-SIMS) erzeugt wurden. Dieses Vorgehen ist eine herausragende und einzi- gartige Methode für die Analyse von festen Oberflächen. Es wurden Dünnfilm- schichten von Hf, HfB2 und HfN durch das Magnetron-Sputter Verfahren erzeugt und anschließend mit einer Differenz-Thermoanalyse (DTA)/-thermogravimetrische Analyse (TGA) oxidiert. Zusätzlich wurden die unterschiedlichen Tiefenprofile mit Querschnittsaufnahmen, welche mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM) erzeugt wurden, verglichen.Es wurde festgestellt, dass Hf-Dünnfilme sowohl gegen Oxidation als auch gegen Sauerstoffdiffusion weniger resistent sind als die Hafniumverbindungen. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass HfB2- und HfN-Dünnfilme bei niedrigeren Tempera- turen, ähnlich resistent sind, bei höheren Temperaturen jedoch übertrifft HfB2 HfN, was HfB2 zu einem potenziellen zukunftsfähigen Kandidaten für die Schutzbeschich- tung hochbelasteter Flugzeugkomponenten macht.