Untersuchung der Anisotropie im Benetzungsverhalten flüssiger Al-Cu-Legierungen auf einkristallinen orientierten Al 2 O 3-Substraten

  • Examination of the anisotropy of the wetting behaviour of liquid Al-Cu alloys on single crystalline oriented Al2O3-substrates

Schmitz, Julianna; Egry, Iván (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2011)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2011

Kurzfassung

Das Benetzungsverhalten flüssiger Al-Cu Legierungen und der reinen Metalle auf orientierten einkristallinen Al2O3-Substraten wurde mit der Methode des ruhenden Tropfens untersucht. Dazu wurde eine sogenannte “Sessile Drop Anlage” aufgebaut, die es ermöglicht, Substrat und Tropfenmaterial separat auszuheizen. Die Tropfen werden frisch erzeugt, wenn die Messtemperatur erreicht ist und erst dann auf das Substrat gebracht. Auf diese Weise erreicht man möglichst saubere und definierte Bedingungen am Anfang des Experiments. Die Messungen erfolgten bei moderaten Temperaturen von 1100°C, bei denen das Legierungssystem zwar flüssig ist, aber chemische Reaktionen an der Grenzfläche in diesem als reaktionsträge geltenden System zumindest auf kurzen Zeitskalen nicht sehr ausgeprägt sind. Untersucht wurden unterschiedlich terminierte Al2O3-Oberflächen, die sich durch ihre kristallographische Orientierung in (0001), (11-20) und (1-102) Richtung unterscheiden und auch als C-, A- und R-Oberflächen bezeichnet werden. Reine Cu-Tropfen zeigen auf allen untersuchten Al2O3-Oberflächen nach dem Absetzen einen exponentiellen Anstieg auf einen Benetzungswinkel von etwa 115°. innerhalb von Zeiten in der Größenordnung von 100 s. Der Einfluss der Oberflächen- und Grenzflächenenergien auf den Kontaktwinkel wird anhand der Young-Gleichung diskutiert und eine ansteigende Grenzflächenenergie aufgrund von Deoxidation als wahrscheinlichste Ursache der Zeitabhängigkeit gefunden. Es liegt daher nahe, diesen isotropen Wert als den intrinsischen des Systems Cu/Al2O3 zu interpretieren. Im Unterschied dazu zeigt der Kontaktwinkel von reinem Al auf den orientierten Al2O3-Substraten ein qualitativ völlig anderes Verhalten. Hier steigt er bei C-Substraten etwa doppelt so schnell von ca. 90° auf 115°, also auf einen ähnlichen Wert wie für Cu. Auf den anderen Substraten stellt sich unmittelbar ein Benetzungswinkel um 90° ein, es zeigt sich keine ausgeprägte Zeitabhängigkeit. Dieses anisotrope Verhalten des Kontaktwinkels muss durch intrinsische Effekte der Oberflächen begründet sein. Nahe liegend ist eine Rekonstruktion der C-Oberfläche, die auf O-Verlust bzw. Al-Anreicherung in dieser Oberfläche beruht. Um den Übergang zwischen isotropem Benetzungsverhalten für Cu-reiche Al-Cu-Legierungen und anisotropem Verhalten für Al-reiche Legierungen zu untersuchen, wurden auch die Benetzungswinkel der Legierungen Al50Cu50, Al30Cu70 und Al17Cu83 auf Al2O3 gemessen. Qualitativ ähnelt deren Verhalten dem von reinem Al; auf A- und R-Oberflächen wird das Gleichgewicht häufig unmittelbar erreicht, bei der Benetzung des C-Substrates zeigt sich eine Zeitabhängigkeit. Für jede Legierung liegt der Kontaktwinkel auf C-Substraten nach 300 s bei ca. 120°. Die Startwerte auf unterschiedlichen Oberflächen unterscheiden sich kaum und werden mit Erhöhung des Cu-Anteils immer unbenetzender. Die Anisotropie wird also immer schwächer. Zur Bestimmung der Ablösearbeit an der fest-flüssig Grenzfläche wurde auch die Temperatur- und Zusammensetzungsabhängigkeit der Oberflächenspannung von Al-Cu Legierungen ermittelt. Dies geschah berührungsfrei in Elektromagnetischer Levitation mit der Methode des oszillierenden Tropfens aus dessen Schwingungsfrequenzen. Dabei nutzt man die Eigenschaft der Oberflächenspannung als Rückstellkraft für Oberflächenschwingungen eines schwebenden Tropfens aus. Ihre Temperaturabhängigkeit lässt sich für jede Legierungszusammensetzung durch eine lineare Abnahme beschreiben, wobei sie am stärksten ausgeprägt ist für Al-arme Legierungen, am schwächsten für mittlere Al-Gehalte. Die Abhängigkeit von der Legierungszusammensetzung kann gut beschrieben werden durch thermodynamische Modellrechnungen, die eine reguläre Lösung annehmen. Aus den Oberflächenspannungsdaten und Benetzungswinkeln wurde die Konzentrationsabhängigkeit der Ablösearbeit im System Al-Cu/Al2O3 bei 1100°C bestimmt. Mit Erhöhung des Al-Gehaltes auf bis zu 50 at.% sinkt sie auf rekonstruierten C-Substraten und bleibt bei höheren Al-Gehalten konstant. Für alle anderen Substrate, auch das unrekonstruierte C-Substrat, scheint die Ablösearbeit kaum von der Zusammensetzung abzuhängen. Allenfalls ein leichter Anstieg ist auszumachen, welcher sich wiederum hauptsächlich bei niedrigen Al-Gehalten abspielt. Die Anisotropie der Ablösearbeit für Al-reiche Legierungen liegt bei etwa 50% und ist daher nicht vernachlässigbar. Das beobachtete Verhalten von Kontaktwinkel und Ablösearbeit legt eine Segregation von Al an der Ober- und Grenzfläche des Tropfens nahe. Sie ist wegen der starken Wechselwirkung zwischen Al und O am ausgeprägtesten an den Grenzflächen mit O-reichen Al2O3-Oberflächen, also mit A-, R- aber auch unrekonstruierten C-Substraten.

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