Abscheidung von Magnesiumlegierungen mit ...home.uni-leipzig.de/iom/muehlleithen/2005/bohne_2005.pdf(MgAl5Mn) AZ91 (MgAl9Zn1) AE42 ... 60 70 80 90 100 SIMS-Messung cp_Mg AZ91 AM50

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


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


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


Beschichtungsanlage

Magnesium-Druckguss-Legierungen


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


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


Morphologie

(Lichtmikroskop) (REM)


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


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


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


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



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



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.%


Sekundärionenmassenspektroskopie (SIMS)an Mg-Schichten (E=800-1200 eV)


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


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


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


Polarisationswiderstandsmessungen(AZ91-Schichten und Ausgangsmaterial)

Zusammenfassung


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


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“

Documents

Abscheidung von Magnesiumlegierungen mit ...home.uni-leipzig.de/iom/muehlleithen/2005/bohne_2005.pdf(MgAl5Mn) AZ91 (MgAl9Zn1) AE42 ... 60 70 80 90 100 SIMS-Messung cp_Mg AZ91 AM50