Marie Sklodowska-Curie Action: RealMAX
Zielsetzung
Zielsetzung des RealMAX-Projekts ist die Erarbeitung innovativer werkstofftechnischer Lösungen zur Lebensdauerverlängerung von MAX-Phasen-Komponenten in Anwendungen unter anspruchsvollen Einsatzbedingungen.
MAX-Phasen sind Nanolaminate, ternäre Carbide und Nitride, die durch die allgemeine Formel Mn+1AXn beschrieben werden können, wobei M ein Übergangsmetall, A ein Element der Gruppen 13 bis 16 und X Kohlenstoff bzw. Stickstoff ist, mit n =1, 2 or 3.
Diese Materialklasse weist ein ungewöhnliches Eigenschaftsprofil mit einer Kombination metallischer und keramischer Eigenschaften auf, weshalb MAX-Phasen ein hohes Einsatzpotential für eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen aufweist.
Insbesondere Al-basierte MAX-Phasen eignen sich aufgrund ihres selbstpassivierenden bzw. selbstheilenden Verhaltens durch Al-Diffusion an die oberfläche hervorragend für den Einsatz bei hohen Temperaturen unter oxidierenden Bedingungen. Während die Al-Diffusion die Bildung thermisch und chemisch stabiler Oxidschichten erlaubt , die gleichzeitig die Sauerstoffdiffusion nach innen unterbindet, kommt es an der Grenzfläche der MAX-Phase und der Oxidschichten zu lokaler Dekomposition, insbesondere im Falle von Cr2AlC.
Im Projekt RealMAX wird thermische Beständigkeit von MAX-Phasen-Dünnschichten untersucht mit dem Ziel, ein tiefgreifendes Verständnis der Hochtemperatur-Oxidationsprozesses zu erarbeiten und anhand dieser Erkenntnisse die lokale Auflösung gezilet zu unterbinden und damit die Standzeit zu verlängern.
Hierbei werden zwei Forschungsansätze verfolgt:
- Untersuchung der Möglichkeiten zur dauerhaften Versorgung von Cr2AlC-Dünnschichten mit Al durch Abscheidung auf Cr2AlC-Substraten.
- "Legierung" der Dünnschichten mit reaktiven Elementen (z. B. Yttrium) in die MAX-Phasen-Struktur.
Methoden
Zur Synthese der MAX-Phasen kommen sowohl konventionelle vollkeramische Verfahren (Spark Plasam Sintering) als auch Dünnschichtverfahren (Magnetronsputtern) zum Einsatz, um unterschiedliche Zusammensetzungen, Mikrostruktur und Texturierungen zu untersuchen und mittels hochauflösender Analyseverfahren zu charakterisieren.
Ein wichtiger Aspekt hierbei ist die Identifikation der Diffusionsprozesse in der MAX-Phase und der Oxidschicht mittels Atomsondentomographie (APT) und Rastertransmissions-Elektronenmikroskopie (STEM) in Verbindung mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) electron microscopy (STEM) coupled with energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS).
STEM-Aufnahmen (High angle annular dark field) eines oxidierten vollkeramischen Cr2AlC-Substrats. Die Kontrastunterschiede repräsentieren unterschiedliche Phasen, u. a. Cr2AlC, Cr7C3, Al2O3 und (Cr,Al)2O3.
Oberflächen- und Querschnittsaufnahmen oxidierter Cr2AlC-Dünnschichten, abgeschieden auf MgO; Cr2AlC-Pulver synthetisiert mittels Festkörperreaktion; Cr2AlC hergestellt aus in Flüssigsalz eingebetteten (MS3) Pulvern. Alle Querschnitte wurden mittels fokussiertem Ionenstrahl bearbeitet. Der Oxidationsgrad der Dünnschichten variiert in Abhängigkeit des Substrats.
APT-Proben von oxidierten Cr2AlC-Dünnschichten, abgeschieden auf Cr2AlC-Substratne. Die lamellare Struktur entspricht der atomaren Abfolge und der den MAX-Phasen inhärenten Nanolaminatstruktur. Die APT-Messungen und -rekonstruktionen wurden durchgeführt von Dr. Marcus Hans.