abscheidung von magnesiumlegierungen mit...
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Abscheidung von Magnesiumlegierungen mit
Ionenstrahlzerstäubung
Y. Bohne, S. MändlLeibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung, Leipzig
Inhalt
• Einführung• Experiment• Ergebnisse
- Aufwachsrate- Morphologie- Chemische Zusammensetzung- Korrosionseigenschaften
• Zusammenfassung
Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung, Leipzig
Motivation
Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung, Leipzig
ZIELUntersuchung der Einsatzmöglichkeiten von
modernen Plasma- und Ionentechnologien zur Entwicklung von korrosionsbeständigeren Mg-Legierungen und Mg-Schichtsystemen
VergleichEigenschaften
Beschichtung(kommerzielle Legierungen,
Kombination hoch- und niedrig schmelzender
Komponenten) Nanokristalline/
amorphe Schichten, hohe Abkühlraten
KonventionelleLegierungssysteme(Guss, mechanische
Legierungen)
Optimierte Schicht
Motivation
Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung, Leipzig
Anwendung: Leichtstoffbau, Fluggeräte- und Automobilindustrie, Handy- oder Laptopgehäuse
Nachteil: Korrosionsanfälligkeit an Luft und in feuchter Atmosphäre(Schutzschicht erforderlich)
Eigenschaft Magnesium Aluminium Stahl
Dichte g/cm 3 1,74 2,7 7,8
Ergiebigkeit je kg Material
3,5 Teile 2,5 Teile 1 Teil
Viskosität Wandstärken ab 1,0 mm
Lebensdauer Gußformen
100.000 bis 400.000 Schuß
80.000 bis 200.000 Schuß
Dämpfung (z.B. bei Vibration)
49 – 66 % 17,00% Guss 5%
Wandstärken ab0,6 mm
Target-SputterquelleAbstand: 15 cmWinkel: 22,5°
Substrat Si (100): 15x15 mmAbstand zum Target 15 cm
AbscheidungAr+-Energie: 0,8-1,2 kVAr+-Strom: 30-34 mAArbeitsdruck: 10-3 mbarBasisdruck: 1,3x10-8 mbar
-BeweglicherSubstrat-halter
BreitstrahlIonenquelle Beweglicher
Substrat-halter
(cp-Mg, AZ91, AM50, AE42)
Probe
360°
Targethalter mit Zerstäubungstarget
Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung, Leipzig
Beschichtungsanlage
Magnesium-Druckguss-Legierungen
Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung, Leipzig
cp-Mg(rein)
AM50(MgAl5Mn)
AZ91(MgAl9Zn1)
AE42(MgAl4SE2)
Charakteristische Zusammensetzung(Kennzeichnung ASTM-Norm/ Legierungszusatz)
nominell4,0 Gew.% Al2,0 Gew.% SE
nominell9,0 Gew. % Al0,8 Gew. % Zn
0,25 Gew. % Mn
nominell5,0 Gew.% Al0,3 Gew.% Mn
99,93% Mg
Verunreinigungen (ppm-Bereich): Ni, Cu, Fe, Be, Si
Aufwachsrate
Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung, Leipzig
Aufwachsraten der verwendeten Mg-Legierungenin Abhängigkeit von der Ionenenergie
800 1000 12000
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100SIMS-Messung cp_Mg AZ91 AM50 AE42
Dep
ositi
onsr
ate/
µm
/h
Ionenenergie (eV)
Zers
täub
ungs
ausb
eute
(SR
IM)
SRIM
500 µm 500 nm
Schicht
Si500 nm
Schicht
Si
AusgangsmaterialAnschliff
Mg-Legierung AM50Schicht (800 eV)
Bruchkante
Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung, Leipzig
Morphologie
(Lichtmikroskop) (REM)
Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung, Leipzig
Oberflächenmorphologie
Mg-Legierung AM50Targetoberfläche
z
0 nm
Z = 50nm
1 µm
z
0 nm
Z = 50nm
1 µm
Schichtoberfläche (E=800 eV)
100 µm
(AFM)(Lichtmikroskop)
Gefüge und Phasen
Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung, Leipzig
Elementverteilung in einer AM50-Legierung (SIMS-Mes sung)
100 µm
Ausgangsmaterial Nach der Schichtabscheidung
25Mg
Mn 64ZnSi
Al26Mg
Mg2Si
Al Mn Si
Mg17Al12
AlxMny33 µm
Phasenanalyse (XRD)
Röntgenbeugung an AM50-Schichten und am Ausgangsmaterial
Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung, Leipzig
20 30 40 50 60 70 80 90 1002 /°Θ
Intensität
Target 800 eV 1000 eV 1200 eV
Si (400)
Mg Mg Mg MgMg Mg
Mg (002)
Mg (004)
Chemische Zusammensetzung
Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung, Leipzig
Rutherford Backscattering Spectroskopy (RBS)an Mg-Schichten (E=800 eV)
Ce (La, Pr, Nd)(AE42 )1,1wt%
Zn(AZ91) 1,1wt%Mn+Fe(alle)
0,2-0,6 w%
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000
2000
4000
6000
8000
10000
O Mg Al Si Mn Fe Zn Ce
Exp SimAZ91: 800 eVAM50: 800 eVAE42: 800 eV
cp-Mg: 800 eV
Kanal
Inte
nsitä
t
Chemische Zusammensetzung
Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung, Leipzig
Elastic Recoil Detection Analysis (ERDA)an einer AE42-Schicht (E=800 eV)
O:0,2 at%
N:0,3 at%
C:0,025 at%
Al:2,4 at%
400
300
200
100
11 100 200
Kanal
Kanal
Au
Ce
Si
Mg
ONC
Al
Chemische Zusammensetzung
Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung, Leipzig
Vergleich Al- Gehalt in Ausgangsmaterialienund in den Schichtsystemen
0 800 1000 1200
1E-3
0,01
0,1
1E-4
1E-3
0,01
0,1Schichtsysteme (ERDA-Messung)
Rel
ativ
e In
tens
ität
Schichtsysteme (SIMS-Messung) cp-Mg AE42 AM50 AZ91
Ionenenergie/ eV
Ausgangsmaterial(Chemische Analyse) cp-Mg AE42 AM50 AZ91
Abs
olut
e K
onze
ntra
tion
/at.%
Chemische Zusammensetzung
Sekundärionenmassenspektroskopie (SIMS)an Mg-Schichten (E=800-1200 eV)
Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung, Leipzig
1001E-6
1E-5
1E-4
1E-3
0,01
0,1
1
20
Ce
Zn
Mn
Al
Si
Atomzahl
800 eV 1000 eV 1200 eVcp-MgAE42AM50AZ91
Rel
ativ
e In
tens
ität
Korrosion
Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung, Leipzig
1.544 mV
Stand-by I
Cou.
Work
Ref.
Line EC -ER
Probe
Potentiometer
Galvanische Zelle
Aufbau Korrosionsmessungen
- Stromdichte-Potential-Messungen
- Polarisations-widerstands-messungen
- Elektrolytlösung: 0,5% NaCl; pH 11
- UntersuchteProbenfläche: 1 cm2
1,0E-05
1,0E-04
1,0E-03
1,0E-02
1,0E-01
1,0E+00
1,0E+01
-1900 -1700 -1500 -1300 -1100 -900 -700Potential [mV]
Target AZ91 Abscheidung 800 eV Abscheidung 1000 eV Abscheidung 1200 eV
Strom[mA]
Korrosion
Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung, Leipzig
Stromdichte-Potential-Messungen (AZ91-Schichten und Ausgangsmaterial)
Korrosions-rate [µm/a]:
Target134
800 eV65,5
1000 eV78,2
1200 eV118
1,0E-05
1,0E-041,0E-03
1,0E-021,0E-01
1,0E+00
- 1900-17 00-1500 -130 0-1100 -900 -700Po tential[ mV]
Current[mA]
T arget A z91 A bsche idung 0,8 kV A bscheidu ng 1 k V Absc heidu ng 1,2 kV
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
35000
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000
Zeit/ s
Po
lari
satio
nsw
ider
stan
dO
hm
/cm
2
Target AZ91 Abscheidung 800 eVAbscheidung 1200 eVAbscheidung 1000 eV
Korrosion
Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung, Leipzig
Polarisationswiderstandsmessungen(AZ91-Schichten und Ausgangsmaterial)
Zusammenfassung
Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung, Leipzig
Ionenstrahlzerstäubung von komplexen Targets
- Mit Erhöhung der Ionenenergie nichtlineare Erhöhung der Aufwachsrate: Änderung des Fokus der Ionenquelle?
- Präferentieller Verlust schwerer Elemente (≥ Al) auf dem Weg vom Target zum Substrat, verstärkt mit steigender Ionenenergie:Winkelverteilung der zerstäubten Atome?
Schichteigenschaften
- Sehr gut haftende mikrokristalline Schichten mit texturierten (002) Gefüge.
- Homogene Elementverteilung in den Schichten. - Gute Korrosionseigenschaften: Höherer Polarisationswiderstand
und erweiterter Passivbereich
Danksagung
Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung, Leipzig
D.M. Seeger (GKSS)C. Blawert (GKSS)W. Dietzel (GKSS)J.W. Gerlach (IOM)W. Assmann (Beschleunigerlabor LMU München)B. Ziberi (IOM)E. Schubert (IOM)A. Birnbaum (IOM)P. Hertel (IOM)
DFG-SPP 1168: „Erweiterung der Einsatzgrenzen von Mg-Legierungen“