Triggering the phase evolution within (Al,Cr)2O3-based coatings by alloying and microstructural concepts

Abstract

Bei der Synthese von Al2O3 und (Al,Cr)2O3 Schutzschichten mittels physikalischer Dampfphasenabscheidung treten neben der thermisch stabilen hexagonalen Struktur auch metastabile kubische Phasen auf. Durch die thermisch initiierte Umwandung können Rissnetzwerke entstehen und somit zu einer drastischen Reduktion der Schichtfunktionalität führen. Durch gezieltes Hinzulegieren von geringen Mengen an Eisen ist es möglich, die Gefüge-Anteile zugunsten der bevorzugten hexagonalen Phase zu verschieben. In detaillierten Transmissionselektronmikroskopie-Studien wurde dargelegt, dass dieser Entwicklung ein Nukleationsmechanismus an Cr- und Fe-reichen Teilchen (Droplets) zugrunde liegt, die durch selektives Aufschmelzen der Target-Oberfläche entstehen und während des Wachstumsprozesses in die Schicht eingebaut werden. Um den beobachteten Effekt besser zu verstehen und in weiterer Folge zur Steuerung der Synthese gewünschter Schichtstrukturen in Form von Target-Entwicklung zu nutzen, wurden weitreichende Elektronenmikroskopie-Studien am Target-Material und gezielt hergestellten intermetallischen Droplets durchgeführt.

The synthesis of (Al,Cr)2O3 coatings by PVD frequently results in metastable cubic structures next to the thermodynamically stable and mechanically favourable hexagonal corundum phase. By alloying small amounts of Fe to powder-metallurgically produced Al0.7Cr0.3 targets – used to synthesise (Al,Cr)2O3 films by cathodic arc evaporation – a considerable increase of the hexagonal phase fraction is observed. Detailed transmission electron microscopy studies show that the growth of hexagonal crystallites of a solid solution (Al,Cr,Fe)2O3 can be triggered by small Cr- and Fe-enriched spherical particles, so-called droplets. In contrast, larger spherical or flat-shaped Al-rich droplets induce re-nucleation of undesired cubic film growth. Extending these studies to additional (Al,Cr)2O3 coating systems revealed similar mechanisms, albeit by far less frequent than in the case of Fe-alloyed films. Modifications of the chemical composition of the target by small amounts of dopants may reduce droplet generation and contribute to controlled coating nucleation. Therefore, the cathode surface used is compared with particles, intentionally selected from the plasma stream.