Impact of Si on the high-temperature oxidation of AlCr(Si)N coatings
Julkaisuvuosi
2022
Tekijät
Jäger, Nikolaus; Meindlhumer, Michael; Zitek, Michal; Spor, Stefan; Hruby, Hynek; Nahif, Farwah; Julin, Jaakko; Rosenthal, Martin; Keckes, Jozef; Mitterer, Christian; Daniel, Rostislav
Tiivistelmä
The resistance of wear protective coatings against oxidation is crucial for their use at high temperatures. Here, three nanocomposite AlCr(Si)N coatings with a fixed Al/Cr atomic ratio of 70/30 and a varying Si-content of 0 at.%, 2.5 at.% and 5 at.% were analyzed by differential scanning calorimetry, thermogravimetric analysis and X-ray in order to understand the oxidation behavior depending on their Si-content. Additionally, a partially oxidized AlCrSiN coating with 5 at.% Si on a sapphire substrate was studied across the coating thickness by depth-resolved cross-sectional X-ray nanodiffraction and scanning trans-mission electron microscopy to investigate the elemental composition, morphology, phases and residual stress evolution of the oxide scale and the non-oxidized coating underneath. The results reveal enhanced oxidation properties of the AlCr(Si)N coatings with increasing Si-content, as demonstrated by a retarded onset of oxidation to higher temperatures from 1100°C for AlCrN to 1260°C for the Si-containing coatings and a simultaneous deceleration of the oxidation process. After annealing of the AlCrSiN sample with 5 at.% Si at an extraordinary high temperature of 1400°C for 60 min in ambient air, three zones developed throughout the coating strongly differing in their composition and structure: (i) a dense oxide layer comprising an Al-rich and a Cr-rich zone formed at the very top, followed by (ii) a fine-grained transition zone with incomplete oxidation and (iii) a non-oxidized zone with a porous structure. The varying elemental composition of these zones is furthermore accompanied by micro-structural variations and a complex residual stress development revealed by cross-sectional X-ray nanodiffraction. The results provide a deeper understanding of the oxidation behavior of AlCr(Si)N coatings depending on their Si-content and the associated elemental, microstructural and residual stress evolution during high-temperature oxidation.
Näytä enemmänOrganisaatiot ja tekijät
Julkaisutyyppi
Julkaisumuoto
Artikkeli
Emojulkaisun tyyppi
Lehti
Artikkelin tyyppi
Alkuperäisartikkeli
Yleisö
TieteellinenVertaisarvioitu
VertaisarvioituOKM:n julkaisutyyppiluokitus
A1 Alkuperäisartikkeli tieteellisessä aikakauslehdessäJulkaisukanavan tiedot
Kustantaja
Volyymi
100
Sivut
91-100
ISSN
Julkaisufoorumi
Julkaisufoorumitaso
1
Avoin saatavuus
Avoin saatavuus kustantajan palvelussa
Kyllä
Julkaisukanavan avoin saatavuus
Osittain avoin julkaisukanava
Rinnakkaistallennettu
Kyllä
Muut tiedot
Tieteenalat
Fysiikka; Materiaalitekniikka; Nanoteknologia
Avainsanat
[object Object],[object Object],[object Object],[object Object]
Julkaisumaa
Yhdistynyt kuningaskunta
Kustantajan kansainvälisyys
Kansainvälinen
Kieli
englanti
Kansainvälinen yhteisjulkaisu
Kyllä
Yhteisjulkaisu yrityksen kanssa
Kyllä
DOI
10.1016/j.jmst.2021.04.065
Julkaisu kuuluu opetus- ja kulttuuriministeriön tiedonkeruuseen
Kyllä