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Nitrierung von Aluminium mit gepulsten Ionenstrahlen

Heyden, Daniel

English Title: Nitriding of Aluminium with pulsed ion beams

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Abstract

Aluminium und Aluminiumlegierungen besitzen eine geringe Dichte und ein gutes Härte-zu- Gewicht Verhältnis. Diese Eigenschaften und die hervorragende Bearbeitbarkeit prädestinieren sie für viele Anwendungsbereiche. Obwohl in den letzten Jahren das Interesse an dieser Werkstoffgruppe stark zugenommen hat, können aufgrund der geringen Härte, der unzureichenden Beständigkeit gegenüber Verschleiß und des niedrigen Schmelzpunkts, die industriellen Einsatzmöglichkeiten dieser Materialgruppe nicht voll ausgenutzt werden. Randschichtmodifikationen des Grundmaterials sowie, nachfolgende Beschichtungen sind prinzipiell geeignet, um diese Nachteile zu verringern. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war daher eine grundlegende Untersuchung zur Nitrierung von Aluminium mit gepulsten Ionenstrahlen. Zu diesem Zweck wurden Aluminiumsubstrate einer Ionenstrahlpulsbehandlung im msec- und nsec - Bereich unterzogen, bei der zum einen die diffusionsgesteuerte Synthese einer Aluminiumnitridschicht, und zum anderen der thermische Einfluss auf das Diffusionsverhalten und die mikrostrukturelle Veränderungen untersucht werden sollten. Zunächst wurden grundsätzliche Überlegungen zur thermischen und ionenstrahlinduzierten Diffusion angestellt, sowie ein vereinfachtes Diffusionsmodell zur Beschreibung der experimentellen Diffusionsprozesse entwickelt. Die Durchführung der Ionenstrahlpulsexperimente erfolgte zum einen an der GSI-Darmstadt am Hochstromionenquellenteststand, der mit einer MUCIS-Ionenquelle ausgerüstet war. Hier wurden Pulsbestrahlungen mit Leistungsdichten ? 0,5 kW/(cm²?Puls) und Pulslängen zwischen 0,5 –25 msec durchgeführt. Weitere Experimente mit gepulsten Ionenstrahlen wurden in Verbindung mit dem Institut für Plasmaphysik (IPP) München, mit Leistungsdichten im Bereich von 1 – 4 kW/(cm²?Puls) und mit Pulslängen von 1 – 100 msec, durchgeführt. In Zusammenarbeit mit der Polytechnischen Universität Tomsk (Russland) konnten auch exemplarische Ionenstrahlpu

Translation of abstract (English)

The treatment of metal and ceramic surfaces by pulsed ion beams for the modification of their properties find wide applications in modern technologies. While research in the range using nanosecond to microsecond pulses has been largely made very little is known on the effects caused by millisecond pulses. Therefore we started a research programme on the effects of msec pulses in the near surface region of Aluminium. Pulse heating and/or melting were supposed to lead to grain refining and modified microstructures of nitrides and improve hardness. In our experiments two ion sources were used: a) a multicusp source (10 – 25 keV, 1 – 25 msec pulse width, N-beams, energy density per pulse 0.1-7 J/cm²) and b) an ion source running at the Institute of Plasmaphysics in Munich (50 keV, 1 – 100 msec pulse width, He- and N-beams, energy density per pulse 1-40 J/cm²). The treated samples were characterized by NRA and RBS for N-profiling, by XPS for compositional depth profiling and for phase formation. In addition microscopy, hardness and corrosion measurements were also performed. The results show the formation of different nitrides where the substructure was modified down to 50µm below the surface. For some cases surface melting occurred as a function of energy density. Modification of mechanical properties will be also described.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Wolf, Prof. Dr. Gerhard Karl
Date of thesis defense: 27 July 2001
Date Deposited: 20 Aug 2001 00:00
Date: 2001
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institute of Physical Chemistry
Subjects: 540 Chemistry and allied sciences
Controlled Keywords: Aluminium, Aluminiumnitrid, Diffusion, Nitrierung
Uncontrolled Keywords: Ionenstrahlmodifikation , gepulste IonenstrahlenIon beam modification , pulsed ion beams
Additional Information: Teile in: Surf. Coat. Technol. 116-119 (1999) 537; Nucl. Instrum Meth. B 175-177 (2001) 403
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