Amorphous and nanostructured Al-based alloys have attracted significant interest owing to their promising properties, including high strength combined with low density. Unfortunately, the production of these advanced materials is limited to powders or ribbons with thickness of less than 100 micrometers due to the reduced glass forming ability of the Al-based alloys. Powder metallurgy through pressure-assisted sintering is a good solution to overcome the size limitation of these materials. In this thesis, Al84Gd6Ni7Co3 glassy powders were consolidated into high-strength bulk materials by hot pressing. The sintering behavior and the microstructural evolution during hot pressing were analyzed as a function of temperature. The results reveal that, through the careful control of the sintering temperature, the combined devitrification and consolidation of the amorphous Al84Gd6Ni7Co3 powders can be achieved, leading to bulk samples with the desired hybrid microstructure and with excellent room temperature mechanical properties. Beside the sintering temperature, the microstructural state of the starting material is critical in order to obtain bulk samples with the desired microstructure and related properties. Consequently, the variation of the initial structural state of the powders as well as of their thermal stability and phase evolution during heating may be used for further tuning the mechanical performance of the hot pressed Al84Gd6Ni7Co3 samples. In order to analyze this aspect, ball milling was used to vary the crystallization behavior of the gas-atomized Al84Gd6Ni7Co3 glassy powder. The influence of milling on microstructure and thermal stability was investigated as a function of the milling time. The results show that the traces of crystalline phases present in the as-atomized powder decrease gradually with increasing the milling time. The thermal stability of the fcc-Al primary phase increases while the thermal stability of the intermetallic phases decreases with increasing milling. Moreover, significant improvement in hardness occurs after milling, which is attributed to the amorphization of the residual crystalline phases present in the as-atomized powder. These finding demonstrate that milling is an effective way to change the initial structural state of the powders and to control the thermal stability of the material. The effect of the microstructural state of the starting material on the mechanical properties of the consolidated samples was investigated in detail. For this, the milled Al84Gd6Ni7Co3 glassy powders were consolidated into bulk specimens by hot pressing. These materials exhibit superior mechanical properties than the samples produced from the as-atomized powder: record high yield strength of 1.7 GPa and fracture strength exceeding 1.8 GPa. This is combined with a plastic strain of about 4 %, Young’s modulus of 120 GPa and density of 3.75 g/cm3. A bimodal microstructure consisting of coarse grained and fine grained regions was achieved in the hot pressed samples by properly controlling the milling process. The exceptionally high strength is attributed to the increased volume fraction of the fine regions, whereas the plastic deformation is favored by the coarse regions, which are able to hinder crack propagation during loading. In addition, the fracture toughness is also improved by the existence of the coarse regions. The tribological properties of the Al84Gd6Ni7Co3 bulk samples were also evaluated. The wear resistance of the bulk samples produced from the milled powder is enhanced with respect to the specimens fabricated from the as-atomized powder, and both alloys exhibit improved wear properties compared to pure aluminum and Al88Si12. Abrasive wear is the main mechanism for these alloys. Finally, the corrosion resistance of these alloys was studied. The results indicate that the Al84Gd6Ni7Co3 bulk material produced from the as-atomized powder has better corrosion resistance than the samples obtained from the milled powder. The main corrosion behavior for these alloys is pit corrosion, intermetallic particle etchout and the corrosion of the Al-rich inter-particle areas. These results clearly demonstrate that, by the proper selection of the sintering temperature and through the appropriate choice of the initial structural state of the powders, the combined devitrification and consolidation of amorphous precursors can be successfully used to produce bulk amorphous/nanostructured Al-based materials with tunable physical and mechanical properties. This expands the known boundaries of Al alloys and offers a new route for the development of novel and innovative high-performance Al-based materials capable to meet specific requirements.

Abstract des Vortrages: The reliability-limiting effects in 3D IC structures using TSVs including mechanical stress distributions and the resulting effects on material integrity (e.g. failure modes like interface delamination, cohesive cracking, metallurgical degradation at joints, and chip-package interaction) and finally on device performance degradation are challenges in advanced 3D integration technologies and product development. Managing internal mechanical stress is a key task to ensure high reliability of products manufactured in advanced CMOS technology nodes, and it is a highly ranked concern for 3D TSV technologies. It requires the determination of materials properties, including Young’s modulus, Poisson ratio and coefficient of thermal expansion (CTE), for each material used. For polycrystalline materials, their microstructure has to be considered. In this talk, one reliability-limiting effect, interface delamination and so-called “pop-up” of copper TSV structures will be addressed. Shear stress along the Cu/Si interface and adhesion of the interfaces in a complex stack (Si/liner/barrier/seed/Cu) are parameters that have to be considered. Metal barrier and seed films and the respective surfaces will be discussed in the context of interface strength. Nano X-ray tomography is currently the only analytical technique to study the so-called “pop-up” effect quantitatively, without modifying the region of interest.

Abstract des Vortrages: Beim Fügen unterschiedlicher Werkstoffe im Mischbau spielt das mechanische Fügen eine große Rolle. Das Tragverhalten der Fügeverbindung steht dabei im direkten Zusammenhang zur Korrosionsbeständigkeit. Die schwerpunktmäßig in diesem geplanten Vorhaben zu betrachtenden mechanischen Fügeelemente erhalten zur Verbesserung des Korrosionsschutzes metallische Überzüge. Beim Einsatz von metallischen Überzügen auf Basis von Aluminium und Zink unterschiedlicher Ausprägung und unter Berücksichtigung unterschiedlich wirksamer Passivierungen auf Verbindungselementen bestehen jedoch aus Sicht der Anwender noch viele Unsicherheiten. Diese Unsicherheiten basieren auf: - Den unterschiedlichen elektrochemischen Eigenschaften der Fügeteilwerkstoffe, Schichtsysteme und Halbzeuge und den daraus resultierenden unterschiedlichen elektrochemischen Potentialen. - Den Schichteigenschaften bezogen auf Härte, Verformungsvermögen und Haftfestigkeit, die für den Fügeprozess relevant sind. - Dem Verhalten moderner Schichtsysteme unter kombiniert mechanischmedialen Belastungsbedingungen im Labor. - Dem Verhalten der Verbindung im Realbauteil unter Berücksichtigung vorhandener Beschichtungen (Trockenschmiermittel) und nachfolgender Beschichtungen (KTL- bzw. wasserverdünnbare Beschichtungen) hinsichtlich Haftfestigkeit, Reibungsverhalten, Permeationsverhalten im Vergleich zu Ergebnissen nach Freibewitterung. - Der Auswahl geeigneter bzw. wirksamer Schichtsysteme. Ein Teil der offenen Fragen wurden im vorliegenden Teilprojekt „Teilprojekt A3: Qualifikation von Belastungs- und Prüfverfahren für die Verwendung in kombinierten Ermüdungsalgorithmen“ bearbeitet, das in dem Clusterprojekt „Kombinierte mechanisch-mediale Alterung von Nietverbindungen in Mischbauweise (KOMMA)“ mit insgesamt 5 Forschungsstellen eingebunden war. Das Hauptziel dieses Teilprojektes bestand darin, vergleichbare Korrosionsphänomene an Nietverbindungen nach relativ kurzzeitiger Laborbelastung im Vergleich zur einjährigen Freibewitterung zu erzeugen. Der Neuheitsgrad des Clusterprojekts bestand darin, die korrosive Belastung im Labor mit einer mechanischen Belastung (Schwingbelastung) zu überlagern. Dabei war ferner festzustellen, ob bei mechanischmedialer Alterung (überlagert) im Vergleich zur seriellen Belastung mit nacheinander durchgeführten korrosiven und mechanischen Belastungen unterschiedliche Korrosionsvorgänge an den Nietverbindungen ablaufen.

Abstract der Posterpräsentation: Xerogele basierend auf Silikat und Kollagen wurden als lasttragendes Knochenersatzmaterial entwickelt. Das Materialkonzept [1] wurde durch den Zusatz verschiedener Calciumphosphate modifiziert. Das Ziel der Arbeit – die Bioaktivität der Komposite und somit das Zellverhalten zu beeinflussen – wird in Verbindung gesetzt zur derzeitigen kritischen Diskussion der Bioaktivität von Biomaterialien [2]. Die Xerogele wurden durch Nutzung eines Sol-Gel-Prozesses hergestellt, der durch die Änderung des pH-Wertes beim Mischen von Kieselsäure und einer Kollagenlösung initiiert wird. Hydroxylapatit (HAp), a-Tricalciumphosphat (TCP), Brushit und ein selbst entwickelter organisch modifizierter HAp wurden als Pulver sowie Ostim® als pastöse Komponente zur Kollagensuspension hinzugefügt. Die Xerogele wurden in Medien verschiedener Calciumkonzentrationen inkubiert. Die Charakterisierung erfolgte durch biochemische Methoden und Rasterelektronenmikroskopie. Der Einfluss der Xerogelbioaktivität auf die osteogene Differenzierung humaner mesenchymaler Stammzellen wurde biochemisch und durch konfokale Laser-Scanning-Mikroskopie analysiert. Die Zugabe von HAp, Ostim® oder TCP führte zu einer beschleunigten Apatitabscheidung auf den Xerogelen aus simulierter Körperflüssigkeit ebenso wie aus Zellkulturmedium (a-MEM). Im Gegensatz dazu verursachen organisch modifizierter HAp oder Brushit eine initiale Calciumfreisetzung aus den Xerogelen. Diese Freisetzung kompensiert das bioaktive Verhalten in gewissem Maße, was durch die Einlagerung in Calcium-freiem a-MEM bestätigt wurde. Die gesteigerte Bioaktivität der Xerogele entspricht einem verringerten Calciumgehalt im Medium, der wiederum einen nachteiligen Effekt auf die Proliferation hat und zur Inhibierung der Matrixmineralisation führt.

Abstract der Posterpräsentation: Ebenso wie Geschirrspülmaschinen in deutschen Haushalten mit ca. 68 % eine weite Verbreitung finden, treten unästhetische Korrosionsproduktablagerungen und Lochkorrosion auf Besteckteilen auf [1]. Zur Vermeidung von Korrosionsschäden an metallischen Werkstoffen unter Bedingungen der maschinellen Geschirrreinigung liegt es nahe, eine Schutzanode in den Besteckkorb einzubringen. Der kathodische Korrosionsschutz mit Hilfe von Schutzanoden wird bekanntermaßen bei Schiffen, Pipelines und Bohrinseln genutzt. Der stabile metallische Kontakt durch das Verschrauben der Anode an das Schutzobjekt kann für Besteck im Geschirrspüler jedoch nicht gewährleistet werden, sodass das Aufstellen der Besteckteile auf die Anode zu wechselnden Widerstandsverhältnissen im Kontaktbereich führt. Zudem liegen während eines Spülganges sehr unterschiedliche Bedingungen (Reiniger: pH > 9,5; Klarspüler: pH < 3,5; Essensreste) vor, und es kommt auf Grund der dünnen Elektrolytfilme zu einer graduellen Änderung der lokalen Elektrodenpotentiale längs des Besteckteils. Elektrochemische Untersuchungen an Aluminiumwerkstoffen unterschiedlicher Zusammensetzung sowie an diversen Besteckstählen bestätigen ebenso wie Messungen an beiden Komponenten in galvanischem Kontakt, dass eine kathodische Polarisation des Stahls um mehrere 100 mV zustande kommt. Experimente im Geschirrspüler zeigten jedoch, dass unter verschiedenen Bedingungen eine dünne Ablagerung von Korrosionsprodukten auftrat, so dass die Eingangshypothese anodischer Korrosionsprozesse am Stahl offenbar revidiert werden muss. Ursachen hierfür werden analysiert, indem eine Dünnfilmströmungszelle, die pH-Wert-Messung bei Stahl-Anoden-Kontakt mit geringer Elektrolytmenge und Temperaturanstieg sowie das instrumentierte maschinelle Geschirrspülen (In-situ-Temperatur- und Potentialmessung des Stahles im direkten Kontaktbereich zur Anode) genutzt werden. Die Ursache der Korrosion des Stahles bei Kontakt mit der Anode konnte bisher nicht hinreichend geklärt werden.

Abstract der Posterpräsentation: PVD-Beschichtungsverfahren (Physical Vapour Deposition) haben sich aufgrund der vielfältigen Möglichkeiten, unterschiedliche Oberflächeneigenschaften von dünnen Schichten mit fast jedem Volumenmaterial (Substrat) kombinieren zu können, etabliert. Durch die definierte Einstellung der Prozessparameter (z. B. Energiezufuhr, Druck, Gaszusammensetzung) können Schichten gemäß den spezifischen Anforderungen des Einsatzzweckes angepasst und optimiert werden. Selbst widersprechende Eigenschaften wie extreme Härte und Flexibilität lassen sich miteinander kombinieren. Zielsetzung des im Rahmen des BMBF-Programms „KMU-innovativ: Nanotechnologie“ (Nanochance) geförderten Forschungsvorhabens ist die Entwicklung einer neuartigen Kombination aus plasmagestützter Bogenentladung und gepulster HPPMS-Sputterabscheidung (High Power Pulsed Magnetron Sputtering) für die Herstellung von schadenstoleranten Schichten auf Umformwerkzeugen. Durch diese Kombination soll zum einen die Qualität bestehender nanokristalliner Schichtsysteme signifikant verbessert sowie eine Vielzahl neuer Schichtsysteme mit bislang nicht erreichten Eigenschaften synthetisiert werden. Ein derzeit untersuchtes Schichtsystem besteht aus einer konventionellen Hartstoffschicht mit sehr hoher Formbeständigkeit und einer weniger als fünf Mikrometer dünnen Deckschicht aus einer Cr2AlC-MAX-Phase, die chemisch und thermisch beständig ist und einen sehr geringen Reibverschleiß hat. Die Beschichtung erfolgt in einer umgerüsteten industriellen PVD-Beschichtungsanlage im Technikum der KCS Europe GmbH. Durch in-situ Plasmaanalysen sowie mikrostrukturelle und mechanische Charakterisierungen der unterschiedlich hergestellten Schichtsysteme durch die TU Dresden wird die Korrelation zwischen technischen Beschichtungsparametern, Plasmaparametern sowie Schichtstruktur und Schichteigenschaften erarbeitet. Damit wird ein tiefgreifendes Verständnis der Abscheidemechanismen von nanokristallinen Schichtsystemen und eine Beschleunigung des Entwicklungsprozesses möglich.

Abstract der Posterpräsentation: Das bekannteste superhydrophobe Phänomen in der Natur ist das Blatt der Lotospflanze. Dieses Eigenschaftsprofil, das gemeinsam mit einer so genannten Selbstreinigungsfähigkeit auftritt, ist nicht primär biologischer, sondern physikalischchemischer Natur, auf dem Zusammenwirken von Mikrorauheit und Oberflächenchemie beruhend. Es ist seit Mitte der 1990er Jahre auf verschiedene Materialoberflächen übertragen worden (Bionik) und ist für Wissenschaft und Technik von großem theoretischen wie praktischen Interesse. Superhydrophobe Oberflächen haben Kontaktwinkel >150° und außerordentlich geringe Abrollwinkel für Wassertropfen. In dieser Arbeit wurden am Beispiel von AlMg1 unterschiedliche Verfahren der Aufrauung (anodische Oxidation, plasmaelektrolytische Oxidation) mit unterschiedlichen hydrophobierenden Substanzen/ Oberflächenmodifizierungsmethoden (Abscheidung aus der Lösung, CVD-Abscheidungen) kombiniert. Zusätzlich zu den Charakterisierungsmethoden der dynam. Kontaktwinkelmessung, REM, FTIR wurde eine Abriebbeanspruchung vorgenommen, um die mechanische Stabilität zu testen. Die Ergebnisse zeigen, dass die effektivste Mikrostrukturierung in der intensivierten anodischen Oxidation besteht und Superhydrophobie sowohl mit Dünnfilm-Modifizierungen vom SAM-Typ erzielt werden kann (z.B. Zonyl FSP) als auch mit dickeren Reaktionsprodukten (Tetradecanphosphonsäure) oder mit CVD-Beschichtungen, sofern die Schichten selbst einen günstigen Beitrag zur Morphologie erbringen und eindeutig hydrophobe Eigenschaften aufweisen (PTFE). Nachteilig ist hierbei die mechanische Empfindlichkeit, die sich teils auf die dickeren Modifizierungsschichten, teils auch auf die oxidische Basisschicht bezieht. Hier weisen die durch plasmaelektrolytische Oxidation hergestellten sehr harten Substrate klare Vorteile auf, aber ihre morphologischen Merkmale erfordern eine Optimierung. Die bisher erzeugten Polysiloxanbeschichtungen haben wesentlich bessere Abriebeigenschaften, zeigen jedoch insgesamt wegen ihrer Oberflächenchemie und glatten Oberfläche keine zufriedenstellende Hydrophobie. Möglicherweise liegt der Schlüssel in einer Kombination unterschiedlicher Dickschicht-Modifizierungen.

Abstract des Vortrages: Die Wirkungstiefe einer Reibungsbeanspruchung von Werkstoffen reicht von wenigen Mikrometern bis zu etwa einem Millimeter. Die Randschicht der Werkstoffe sollte entsprechend angepasst sein. Durch Reibung beanspruchte Werkstoffe verschleißen in Abhängigkeit von den Systemeigenschaften des tribologischen Systems durch vier Elementarmechanismen, Adhäsion, Abrasion, Ermüdung und tribochemische Reaktionsschichtbildung. Das Gefüge in der Randschicht muss so eingestellt werden, dass Adhäsion, Ermüdung und tribochemische Reaktionsschichtbildung weitestgehend unterdrückt sind und der abrasive Mechanismus im Gleichgewichtszustand des Tribosystems eine minimale konstante Rate aufweist. Beschichtungen bestehen meist aus einer harten Schicht auf einem weicheren Untergrund, die bei stärkerer Beanspruchung zerstört wird. Bessere Eigenschaften sind zu erwarten, wenn in der Randschicht des Werkstoffes Veränderungen vorgenommen werden, die einen kontinuierlichen Übergang zum Grundwerkstoff bewirken. Von besonderem Interesse ist dabei das Umschmelzlegieren mit dem Elektronenstahl (EBUL). Damit lassen sich lokal Reibungskoeffizient, Verschleiß- und Korrosionswiderstand oder die thermische Leitfähigkeit durch Zulegieren von Elementen oder Dispergieren von Hartstoffpartikeln entsprechend der Beanspruchung verändern. In Studien wurde gezeigt, dass EBUL zu signifikant höheren Härten in der Randschicht führt, welche den Verschleißwiderstand erhöhen. Die Härtesteigerung kann durch den Volumenanteil der zulegierten Elemente eingestellt werden. Die Härte des umschmelzlegierten Gefüges steigt mit zunehmendem Anteil von Ausscheidungen und intermetallischen Phasen. Die Härte wird weiterhin durch die Größe und Verteilung der Ausscheidungen und Phasen bestimmt.

Abstract des Vortrages: Titanium aluminide (TiAl) alloys are attractive lightweight materials for mediumtemperature (500°-750°C) structural applications including components such as jet engine and industrial gas turbine blades, turbocharger rotors and automotive engine valves. However, envisaged service temperatures for future advanced applications will have to be in the range of 750° to 1000°C, over which these alloys suffer from both oxidation and oxygen embrittlement. Therefore, development of surfaceengineering techniques for preventing high-temperature environmental damage is critical in exploiting the advantages of TiAl alloys to their fullest extent. Two efficient approaches to protecting candidate TiAl alloys from high-temperature (>750°C) environmental degradation have been developed at HZDR. The first technique involves a single step, namely treating TiAl alloy components directly by plasma immersion ion implantation (PIII) of fluorine using a mixture of difluoromethane and argon (CH2F2 + 25% Ar) as the precursor gas. The oxidation performance of the fluorine-implanted alloys has been evaluated by thermal gravimetric analysis (TGA) over the temperature range of 750° to 1050°C under conditions of both isothermal and thermal cyclic oxidation in air, and for times as long as 6000 h. This type of surface modification has been shown to produce a stable, adherent and highly protective alumina scale. The second technique involves the fabrication of a durable protective coating in a two-step process, namely formation of a thin aluminum-rich TiAl layer (Ti-60Al) by chemical vapor deposition (CVD) employing a mixture of inorganic precursors, followed by PIII of fluorine. Subsequent long-term oxidation exposures to air at 900°C of a GE 4822 alloy (Ti-48Al-2Cr-2Nb; alloy composition qualified for aerospace applications) have shown that the coating so developed is able to successfully prevent oxidation damage to the base material while maintaining up to 90% of its initial mechanical properties (strength and ductility).

In the present dissertation the formation of microstructure, the kinetics of densification and the formation of surface layers developing during liquid phase sintering of silicon carbide are studied. The focus is on the additive systems Al2O3 plus Y2O3 and AlN plus Y2O3. Phase and especially liquid phase formation in both of the systems SiC, Al2O3 , Y2O3 and AlN, Al2O3 , Y2O3 are investigated in detail examining 12 espectively 17 different compositions per system. Melting temperatures have been determined by TG/DTA, in both systems for the first time. Phase composition of samples was analysed by the combination of XRD, SEM and EDX. In the system SiC, Al2O3 , Y2O3 the formation of the phases expected from the quasibinary Al2O3 , Y2O3 could be observed thus silicon carbide has to be in equilibrium with the oxide additives. The low solubility of SiC in the oxide melt, which was suggested by Hoffmann and Nader, could be confirmed. In the system AlN, Al2O3 , Y2O3 the formation of phases as stated by Medraj was confirmed, except for the dimension of the stability region of the γ- spinel and YAG which is wider in the present work. For the first time diffusion coefficients of the species Y3+ and Al3+ in the oxide melt formed by Al2O3 and Y2O3 at temperatures above 1825 ◦ C were determined. The values are in the order of 2 · 10−6 cm2 /s which results in a diffusion length of 14.1 μm for a diffusion time of one second. This allows the fast equilibration of Y and Al deficiencies. Kinetics of densification was modeled by kinetic field, master curve and thermokinetic method, based on detailed experimental investigation of the shrinkage during liquid phase sintering of SiC. It could be proved that the first 30 − 40 % of densification are controlled by solid phase reactions which accelerate particle rearrangement without presence of a liquid phase. During the remaining 60 − 70 % of densification a liquid is present, resulting in the predominance of mechanisms of liquid phase sintering. The models deliver activation energies in the range from 608 KJ/mol to 1668 kJ/mol and allow, within the scope of validity of each method the prediction of densification during liquid phase sintering of silicon carbide. When sintering silicon carbide with Al2O3 plus Y2O3 the formation of several surface layers, depending on atmosphere, maximum temperature, dwelling time and amount and composition of additives was observed. In nitrogen atmosphere with low partial pressures a surface layer consisting of AlN is forming whilst at high partial pressures SiAlON- polytypes occur. After sintering in Argon or Ar-CO- atmosphere three main types of surface layers are present. One consists of alumina, one contains only YAG and one shows highly porous, additive depleted regions. An explanation for the formation of the several surface layers could be given by the combination of the determined diffusion coefficients with the results achieved in the thermodynamics part. The results achieved in this work can be a contribution to the knowledge based design of the production process of liquid phase sintering of silicon carbide.