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Autor(en): Wellner, Patrick
Titel: Thermo-mechanical behavior of NiAl thin films
Sonstige Titel: Thermo-mechanisches Verhalten dünner NiAl-Schichten
Erscheinungsdatum: 2003
Dokumentart: Dissertation
Serie/Report Nr.: Bericht / Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme (ehemals Max-Planck-Institut für Metallforschung), Stuttgart;144a
URI: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:93-opus-15977
http://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/6549
http://dx.doi.org/10.18419/opus-6532
Zusammenfassung: Thin films based on the intermetallic alloy NiAl are used as protective coatings for high temperature applications because of their excellent oxidation resistance. However, insufficient mechanical strength of the coatings may lead to failure as a result of thermal stresses. This work describes the influence of film thickness (0.2 to 3.1 µm) and Al content (45 to 52 at % Al) on the yield strength, the fracture toughness and the creep strength of polycrystalline NiAl films. The NiAl films were sputter-deposited on Si substrates and were thermally cycled up to 700 °C. The stress evolution during thermal cycling was measured using a laser-optical substrate-curvature technique. The fracture toughness of the NiAl films was found to depend on the chemical composition: upon thermal straining, Al-rich films exhibited crack formation while stoichiometric and Ni-rich films remained devoid of cracks. The fracture toughness of the Al-rich films was determined to be 2.2 to 2.9 MPa m1/2, independent of film thickness. However, the fracture stress increased with decreasing film thickness. These results are discussed on the basis of thin film cracking models. Plastic deformation in stoichiometric and Ni-rich films is strongly influenced by the thickness of the films. Upon cooling to room temperature, a strong increase in yield strength with decreasing film thickness was found. The yield strength increased from 420 MPa for 3.0 µm thick films to about 2000 MPa for 0.2 µm thick films. In contrast, heating above 400 °C yielded the opposite trend: thinner films showed stronger plastic deformation, which is related to a diffusional creep process. The influence of Al content and film thickness on the stress evolution of stoichiometric and Ni-rich films is discussed with respect to thin film deformation mechanisms.
Dünne Schichten auf der Basis von intermetallischem NiAl finden ihren Einsatz als Schutzschichten für Hochtemperaturanwendungen aufgrund ihrer ausgezeichneten Oxidationsbeständigkeit. Mangelnde mechanische Stabilität der Schichten kann allerdings durch das Auftreten von thermischen Spannungen zum Schichtversagen führen. In dieser Arbeit wird der Einfluss der Schichtdicke (0.2 bis 3.1 µm) und des Al-Gehalts (45 bis 52 at % Al) auf die Bruchzähigkeit und den Widerstand gegenüber plastischem Fließen von polykristallinen NiAl-Schichten beschrieben. Die untersuchten Schichten wurden mittels Magnetron-Sputtern auf Si-Substrate aufgebracht und die Spannungsentwicklung während einer zyklischen, thermischen Beanspruchung bis 700 °C gemessen. Die Substrat-Krümmungs-Methode wurde zur Messung der Schichtspannung angewandt. Diese Arbeit zeigt, dass die Bruchzähigkeit von NiAl-Schichten durch die chemische Zusammensetzung bestimmt wird. So wurde nach einer thermischen Behandlung Risse in Al-reichen Schichten gefunden, während stöchiometrische und Ni-reiche Schichten rissfrei blieben. Die Bestimmung der Bruchzähigkeit der Al-reichen Schichten ergab, unabhängig von der Schichtdicke, Werte von 2.2 bis 2.9 MPa m1/2. Im Gegensatz dazu wurde eine Zunahme der Bruchspannung mit abnehmender Schichtdicke gemessen. Diese Ergebnisse werden anhand von Rissmodellen für Dünnschichtsysteme diskutiert. Die plastische Verformbarkeit von stöchiometrischen und Ni-reichen Schichten hängt entscheidend von der Schichtdicke ab. So steigt die Streckgrenze bei niedrigen Temperaturen durch die Verringerung der Schichtdicke ungewöhnlich stark an. Für 0.2 µm dicke NiAl-Schichten wurden Streckgrenzen bis zu 2000 MPa gemessen, während die Streckgrenze von 3.0 µm dicken Schichten lediglich 420 MPa beträgt. Beim Aufheizen der Schichten auf Temperaturen oberhalb 400 °C zeigt sich der umgekehrte Trend: Dünnere Schichten zeigen stärkere plastische Verformung, was mit Diffusionskriechen in Zusammenhang gebracht wird. Der Einfluss der chemischen Zusammensetzung und der Schichtdicke auf die Spannungsentwicklung in stöchiometrischen und Ni-reichen Schichten wird mit Modellen der Dünnschichtmechanik erklärt.
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