Multi-method study of (semi-)coherent stabilisation of hexagonal alumina on intermetallic Al-Cr droplets

Abstract

Dünne Schichten werden in vielen Anwendungen benutzt um die Eigenschaften eines Bauteils an seiner Oberfläche zu verändern. Die ständige Suche nach Verbesserungen führt zu ständig neuen Materialzusammensetzungen und Beschichtungstechniken. Ein häufig verwendetes Material für solche dünnen Schichten ist Al2O3 welches hohen Widerstand gegen chemische und mechanische Beanspruchungen vorweist. Der Großteil der Al2O3 Filme wird mittels chemischer Gasphasenabscheidung unter hohen Temperaturen hergestellt. Eine alternative Methode die niedrigere Beschichtungstemperaturen erlaubt ist die physikalische Gasphasenabscheidung. Um die erwünschte hexagonale Phase von alpha-Al2O3 zu stabilisieren wird dem Beschichtungsmaterial Cr beigemengt. Während Untersuchungen des (Al,Cr)2O3 Schichtsystems wurden zwei Arten von Tröpfchen identifiziert welche das Wachstum von entweder alpha-Al2O3 oder alpha-Al2O3 fördern. In dieser Arbeit wurde die strukturelle Beziehung zwischen den intermetallischen Phasen von Al und Cr und alpha-Al2O3 untersucht. Die verschiedenen Kristallstrukturen wurden mittels Dichtefunktionaltheorie (DFT) simuliert. Während der DFT Simulationen wurden die mechanischen und magnetischen Eigenschaften der Materialien berechnet. Die Ergebnisse dieser Berechnungen stimmen gut mit den Werten der Literatur überein. Mittels der Methode von Gautam und Howe folgend wurden die wahrscheinlichsten Grenzflächen ermittelt. Für diese Grenzflächen wurden im Anschluss die Energien berechnet die nötig sind um die beiden Materialien aneinander zu passen. Bei diesen Berechnungen wurden Versetzungen mit verschiedenen Parametern berücksichtigt. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Bildung der Grenzfläche zwischen alpha-Al2O3 und Al8Cr5 und deren jeweiligen (010) Ebene energetisch am günstigsten ist.

Thin film coatings are used in a wide range of applications to change the properties of a component at its surface. The constant search for improvements in such films leads to new material compositions and deposition techniques. A common material for such thin films is Al2O3 which has a high resilience against chemical and mechanical wear. Most of the Al2O3 thin films are deposited with chemical vapour deposition (CVD) under high temperatures. To allow a deposition at lower temperatures an alternative method was found in physical vapour deposition (PVD). To stabilize the desired hexagonal alpha-Al2O3 Cr is added to the coating material. Investigations of such (Al,Cr)2O3 coatings with electron microscopy show two different droplets, which each promote the growth of either the cubic alpha-Al2O3 or the desired alpha-Al2O3. In this thesis, the structural relationship between intermetallic Al-Cr phases, which form the droplets and -Al2O3 were investigated. The different crystal structures of the material system were simulated using density functional theory (DFT). During the DFT simulations the mechanical and magnetic behaviour of the phases were calculated as well. The results are in good agreement with the data found in the literature. The most probable interfaces were calculated following the method of Gautam and Howe. For those interfaces, the energies needed to t the coating material onto the substrate were calculated for different dislocation parameters. The results indicate that alpha-Al2O3 forms an interface with its (010) plane to the (010) plane of Al8Cr5.