Novel Si-based alloying routes for enhancing the oxidation resistance of TiBx coatings

Abstract

Refractory TiB2 is a promising protective coating material for various applications due to its outstanding thermo-mechanical properties. However, the use of TiB2 in high-temperature applications is limited by its poor oxidation resistance. This work explores the alloying of TiB2 coatings with secondary TMSi2-based (TM = Ti, Mo) phases and investigates their high-temperature oxidation resistance, phase formation and mechanical properties. Ternary Ti-Si-B2±z and quaternary Ti-Mo-Si-B2±z coatings were sputter-deposited from alloyed TiB2/TMSi2 target materials using two different power modes of DCMS and HIPIMS. All as-deposited alloyed coatings exhibit the single hexagonal AlB2-structured phase. Moreover, the coatings’ mechanical properties (hardness and elastic modulus) decrease with the increase in alloying content (Si, Mo).Regarding their oxidation behaviour up to 1400 °C, the quaternary Ti-Mo-Si-B2±z coatings outperform their ternary counterparts by preserving outstanding oxidation resistance with delayed oxidation kinetics up to ~1340 °C due to the formation of a protective Si-based oxide scale. The Ti0.23Mo0.07Si0.17B0.53 coating shows retarded oxidation kinetics up to 60 h at 1200 °C by forming a thin protective dense SiO2 oxide scale (thickness ~1 μm), which inhibits inward oxygen diffusion. The high-temperature oxidation resistance of Ti-Mo-Si-B2±z coatings is attributed to the formation of a separate MoSi2 phase (at T > 650 °C, determined by in-situ XRD analysis and TEM investigation) facilitating the supply of Si to form a protective SiO2 based scale and suppresses the formation of volatile B2O3.

Dank seiner hervorragenden thermo-mechanischen Eigenschaften ist refraktäres TiB2±z ein vielversprechendes Beschichtungsmaterial für diverse Anwendungsgebiete. Allerdings limitiert die begrenzte Oxidationsbeständigkeit breite Anwendungen erheblich. In dieser Arbeit werden Schichten aus TiB2±z mit TMSi2 (TM = Ti, Mo) basierten Legierungen auf die sich bildenden Phasen und mechanischen Eigenschaften untersucht.Die ternären und quaternären Ti(-Mo)-Si-B2±z Schichten wurden aus legierten TiB2/TMSi2 Target-Materialien mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) abgeschieden, wobei zwei verschiedene Sputter-Techniken zum Einsatz kamen (DCMS und HIPIMS). Die erzeugten Schichten konnten alle in der hexagonalen AlB2 Struktur stabilisiert werden. Das Zulegieren von Mo und Si verringert die mechanischen Eigenschaften in Form von Härte und Elastizitätsmodul.Bei der Oxidationsbeständigkeit bis zu 1400 °C waren die quaternären Ti-Mo-Si-B2±z den ternären Schichten deutlich überlegen. Sie wiesen, dank einer sich bildenden, schützenden Si-basierten Oxidschicht, eine reduzierte Oxidationsrate bis zu ~1340 °C auf. Die rasche Ausbildung der dünnen, dichten und schützenden SiO2 Schicht mit einer Dicke von ~1 μm ermöglicht der Ti0.23Mo0.07Si0.17B0.53 Schicht ein außergewöhnlich gutes Oxidationsverhalten bis zu 60 Stunden bei 1200 °C. Dies ist möglich, da SiO2 die Sauerstoffdiffusion in Richtung unversehrtes Schichtmaterial verhindert. Die Bildung von MoSi2 aus der hexagonalen TiMoB2 Einzelphase über 650 °C begünstigt das Entstehen der SiO2 Schutzschicht, durch eine verstärkte Versorgung mit Si. Gleichzeitig wird die Bildung des volatilen Oxids B2O3 unterdrückt.