Design of new protective systems based on the intermetallic compound RuAl

Abstract

RuAl shows a high melting point, good ductility at room temperature and excellent oxidation resistance due to the growth of a protective α-Al2O3 layer with similar thermal expansion, increasing its adherence. RuAl is thus a promising protective coating material oxidising high-temperature environments, yet this has yet to be thoroughly studied. RuAl thin films on stainless steel (SS) are produced from magnetron sputtered multilayers (periods of 3 nm). Since bulk and thin film properties often differ, thermal stability, grain growth, oxidation and substrate interaction were studied at different temperatures. The films showed phase and thermal stability after 6 h at 750 °C. Normal and abnormal grain growth occurred at 650 °C ⩽ T ⩽ 750 °C, induced by a 3D curvature-driven evolution and due to impurities and grain-orientation-specific driving forces, respectively. α-Al2O3 is the only oxide present even at T = 750 °C, an advantage over most studied aluminides. Its linear, phase-boundary controlled growth changes to a parabolic, diffusion-controlled process at about 200 nm (at 900 °C). Excess Ru in RuAl diffusing into the SS avoids the precipitation of new δ-Ru regions during oxidation. Additionally, Fe and Cr from the SS contribute to the stabilisation of the microstructure. RuAl films have also been evaluated for glass moulding dies. High-temperature contact angles show molten borosilicate glass does not wet the films. Chemical interactions occur under air, but not under Ar.

RuAl zeichnet sich aus durch einen hohen Schmelzpunkt, Raumtemperaturduktilität und sehr gute Oxidationsbeständigkeit aufgrund des Wachstums einer gut haftenden α-Al2O3-Schicht mit ähnlicher thermischer Ausdehnung. Damit ist RuAl ein interessanter Kandidat für Hochtemperaturbeschichtungen, erfordert jedoch weitere Forschung. RuAl-Dünnschichten wurden durch Magnetronsputtern von Multilagen (3 nm Periode) auf CrNi-Stahl hergestellt. Da die Eigenschaften dünner Schichten oft von denen des Vollmaterials abweichen, wurden thermische Stabilität, Kornwachstum, Oxidtion und Substrateinfluss bei verschiedenen Temperaturen untersucht. Die Schichten zeigen thermische und Phasenstabilität nach 6 h bei 750 °C. Normal und anormales Kornwachstum treten bei 650 °C ⩽ T ⩽ 750 °C auf. Ersteres reduziert die Korngrenzenkrümmung, während letzteres mit Verunreinigungen und orientierungsabhängigen Oberflächenenergien in Verbindung steht. Anders als bei vielen anderen Aluminiden wächst auf RuAl lediglich α-Al2O3. Sein lineares, grenzflächenbestimmtes Wachstum geht ab 200 nm (bei 900°C) in diffusionskontrolliertes, parabolisches Wachstum über. Dabei diffundiert Ru in den Stahl, wodurch die Ausscheidung von δ-Ru vermieden wird. Fe und Cr aus dem Stahl tragen zur Stabilisierung der Mikrostruktur bei. RuAl wurde ebenfalls als Beschichtung von Blankpressmatrizen für Glas bewertet. Borosilikatschmelze zeigt keine Benetzung der Schichten. Chemische Wechselwirkungen treten an der Luft auf, jedoch nicht unter Ar.