Evolution of phases and microstructure in rapidly solidified metallic multilayer films : a correlative microscopy study

Abstract

During the last decade, Laser Interference Metallurgy (LIMET) was employed on a variety of metallic surfaces to deliberately modify their physical properties in a spatially ordered and periodic manner. Its application to multilayered metallic thin films was envisioned to enable the synthesis of bioinspired composite materials. Further research was needed to understand the processes governing phase selection and formation. The present thesis is focused on elucidating the relation between LIMET and the theoretical framework of pulsed-laser induced rapid solidification, partitionless transformations from the melt and super lateral grain growth. As model materials, the thermodynamically well-known binary systems Ni/Al, Ti/Al and Ni/Ti were chosen. Depending on substrate material and local stoichiometry, different metastable and ordered equilibrium phases were formed and frozen-in to room temperature. By means of correlative microscopy, localised structural and compositional data on the sub-µm and nm scales were obtained to derive an explanation for the heat-induced mechanisms at the multilayer interfaces. Here, a combination of selected area diffraction in a transmission electron microscope and atom probe tomography was successfully employed. It was accompanied by finite-element thermal simulations. In contrast to former studies, here, the contributions from released energies of mixing were accounted for, thus yielding an improved approximation to the real heat-affected zone. During the last decade, Laser Interference Metallurgy (LIMET) was employed on a variety of metallic surfaces to deliberately modify their physical properties in a spatially ordered periodic manner. Besides the effect of periodicity, the modifications to microstructure and present phases were assessed. Its application to multilayered metallic thin films was envisioned to enable the synthesis of composite materials based on bioinspired composite design strategies. While its impact on thin film mechanical properties was already shown, further research was needed to understand the processes underlying selection and formation of phases in the heat affected zones. The present thesis is focused on elucidating the relation of LIMET to the theoretical framework of pulsed-laser induced rapid solidification, partitionless transformations from the melt and super lateral grain growth. As model materials, the thermodynamically well-known binary systems Ni/Al, Ti/Al and Ni/Ti were chosen. Depending on substrate material and local stoichiometry, different crystalline metastable and ordered equilibrium phases were formed and frozen-in to room temperature. In order to understand the processes at the multilayer interfaces, selected area diffraction in a transmission electron microscope and atom probe tomography were used in a correlative approach. This combination of localized structural and compositional data on sub-µm and nm-scale yielded an explanation of the acting mechanisms. This was accompanied by finite-element thermal simulations. In contrast to former studies, here the contributions of released energies of mixing were accounted for, thus yielding an improved approximation to the real existing heat affected zone.

Im vergangenen Jahrzehnt wurde Laser Interferenz Metallurgie (LIMET) zur gezielten Modifikation metallischer Oberflächen genutzt, um die physikalischen Eigenschaften in einer räumlich-periodischen Anordnung zu verändern. Ihre Anwendung auf metallische Multilagen-Dünnschichten wurde als Zugang zur Herstellung bioinspirierter Komposite erachtet. Die Mechanismen von Phasenselektion und -bildung blieben jedoch unklar. Die vorliegende Studie ordnet LIMET in das theoretische Rahmenwerk laserinduzierter schneller Erstarrung, partitionsloser Phasenumwandlungen und des superlateralen Kornwachstums ein. Als Modell wurden die thermodynamisch gut erforschten Zweistoffsysteme Ni/Al, Ti/Al und Ni/Ti ausgewählt. Abhängig vom Substrat und der lokalen Stöchiometrie wurden metastabile und geordnete Gleichgewichtsphasen gebildet und bis Raumtemperatur eingefroren. Anhand korrelativer Mikroskopie wurden lokalisiert strukturelle und chemische Informationen auf sub-µm- und nm-Skala gewonnen, die zur Aufklärung der wärmeinduzierten Prozesse an den Grenzflächen der Multischicht dienten. Hierzu wurde Feinbereichsbeugung im Transmissionselektronenmikroskop mit Atomsondentomographie erfolgreich kombiniert. Dies wurde ergänzt durch Finite-Elemente-basierte thermische Simulationen, welche die energetischen Beiträge des Durchmischens der Komponenten berücksichtigten, so dass eine getreue Abbildung der real vorliegenden Wärmeeinflusszone gewonnen wurde. %Im vergangenen Jahrzehnt wurde Laser Interferenz Metallurgie (LIMET) zur gezielten Modifikation metallischer Oberflächen genutzt, um die physikalischen Eigenschaften in einer räumlich-periodischen Ordnung zu verändern. Neben der Periodizität, waren die Veränderungen in Mikrostruktur und Phasen von Interesse. Ihre Anwendung auf metallische Mehrlagen-Dünnschichten wurde als Zugang zur Herstellung bioinspirierter Komposite erachtet. Während die Wirkung von LIMET auf die mechanischen Eigenschaften gezeigt werden konnte, blieben die Prozesse von Phasenselektion und -bildung ungeklärt. Die vorliegende Studie ordnet LIMET in das theoretische Rahmenwerk laserinduzierter schneller Erstarrung, partitionsloser Phasenumwandlungen aus der Schmelze und des superlateralen Kornwachstums ein. Als Modell wurden die thermodynamisch gut erforschten Zweistoffsysteme Ni/Al, Ti/Al und Ni/Ti ausgewählt. Abhängig vom Substrat und der lokalen Stöchiometrie wurden kristalline metastabile und geordnete Gleichgewichtsphasen gebildet und bis Raumtemperatur eingefroren. Um die wärmeinduzierten Prozesse an den Grenzflächen der Multischicht zu verstehen, wurde korrelative Mikroskopie betrieben. Hierfür wurde Feinbereichsbeugung im Transmissionselektronenmikroskop mit Atomsondentomographie kombiniert. Aus der gemeinsamen Beurteilung lokaler struktureller und chemischer Informationen auf sub-µm- und nm-Skala wurden die Wirkmechanismen aufgezeigt. Dies wurde ergänzt durch Finite-Elemente-basierte thermische Simulationen, welche die energetischen Beiträge des Durchmischens der Komponenten berücksichtigten, so dass eine getreue Abbildung der real vorliegenden Wärmeeinflusszone gewonnen wurde.