26 Al-Tracerdiffusion in alpha-Aluminiumoxid
Final Report Abstract
α-Al2O3 ist ein wichtiger Hochtemperaturwerkstoff mit vielseitigen industriellen Einsatzmöglichkeiten: als in situ wachsende selbstheilende Oxidationsschutzschicht, als massives Material und als Faserverstärkung in Verbundwerkstoffen. Die wesentlichen Prozesse wie Schichtwachstum und Kriechverhalten werden vom Transport der konstituierenden Elemente Aluminium und Sauerstoff im Volumen und in den Korngrenzen bestimmt, so dass zur quantitativen Beschreibung dieser Vorgänge die Kenntnis der Diffusionskoeffizienten beider Elemente notwendig ist. Dieser wichtige Umstand wird in der Literatur jedoch leider nicht durch ein ausgewogenes Verhältnis von experimentell bestimmten Sauerstoff- und Aluminiumdiffusionsdaten reflektiert. Während zur Sauerstoffdiffusion genügend Daten vorhanden sind, die seit etwa 40 Jahren von mehreren Arbeitsgruppen veröffentlicht wurden, gab es zur Aluminiumdiffusion zum Projektbeginn lediglich zwei (!) Veröffentlichungen mit experimentellen Daten, deren Zuverlässigkeit noch dazu zweifelhaft ist. Die Ursache dafür liegt in den experimentellen Schwierigkeiten: Aluminium hat nur ein stabiles Isotop (27Al) und Radionuklide mit entweder sehr kurzer Halbwertszeit (z.B. 29Al mit τ ≈ 6,6 min) oder sehr langer Halbwertszeit (26Al mit τ ≈ 7,2⋅105 a), was die Anwendung klassischer Radiotracermethoden sehr stark erschwert. Um diese methodischen Schwierigkeiten der klassischen Radiotracermethoden zu überwinden, bietet sich die Sekundärionenmassenspektrometrie (SIMS) an, die mit wesentlich geringeren Mengen an 26Al auskommt und methodeninhärent ein hervorragendes Ortsauflösungsvermögen besitzt, welches die Radiotracermethode auch mit modernen Sputtermethoden in der Praxis nicht erreicht. Eine von uns speziell für diesen Zweck entwickelte Präparationstechnik ermöglicht es, 26Al in oxidiertem Zustand (26Al2O3) möglichst sparsam und gleichmäßig auf die Oberfläche der Proben aufzubringen. Dies war eine wesentliche Vorraussetzung zur (soweit uns bekannt ist, weltweit erstmaligen) erfolgreichen Anwendung der SIMS-Analytik im Zusammenhang mit der Messung der 26Al-Diffusion in Oxiden. Der Fortschritt gegenüber dem Stand des Wissens besteht vor allem darin, dass es im Rahmen dieses Projektes gelungen ist, zuverlässige Daten für die Volumendiffusion von Aluminium in α-Al2O3 zu ermitteln. Die ermittelten Diffusionsdaten belegen zudem eindeutig, dass die Volumendiffusion von Aluminium in α-Al2O3 wesentlich größer ist als die Volumendiffusion von Sauerstoff (DAl >> DO). Dieser für das Verständnis diffusionskontrollierter Prozesse sehr wichtige Sachverhalt war bisher ein strittiger Punkt in der Literatur. Die experimentelle Datenbasis zur Volumendiffusion von Aluminium in α-Al2O3 wurde durch die innerhalb dieses Projektes gewonnenen Daten signifikant verbessert. Eine solide experimentelle Datenbasis zur Volumendiffusion der konstituierenden Elemente ist insbesondere für die theoretische Modellierung diffusionskontrollierter Prozesse von Bedeutung. Die Kenntnis der Diffusionskoeffizienten im Volumen ist gleichzeitig von zentraler Bedeutung für die Interpretation von Daten zum Korngrenzentransport. Diese liegen für Aluminium bisher nur aus indirekten Messungen vor, woraus die Diffusionskoeffizienten mit Hilfe eines nicht eindeutigen Modells berechnet wurden. Da andererseits für technische Fragestellungen im Hochtemperaturbereich (Oxidationsschutzschichten, kriechbeständige Bauteile) polykristallines α-Al2O3 zum Einsatz kommt, ist die quantitative Beschreibung des Korngrenzentransports (in undotiertem und „technisch“ dotiertem polykristallinem α-Al2O3) eine wichtige Thematik für zukünftige Arbeiten.
Publications
- 100th Bunsen-Colloquium, Diffusion and Reactions in Advanced Materials, September 27 - 28, 2007, Clausthal-Zellerfeld, Germany. Al-26 Diffusion Measurement in Oxides by Means of Secondary Ion Mass Spectrometry
P. Fielitz, G. Borchardt, M. Schmücker, H. Schneider
- “26Al tracer diffusion in titanium doped single crystalline α-Al2O3”. Solid State Ionics 179 (2008) 373-379
P. Fielitz, G. Borchardt, S. Ganschow, R. Bertram, A. Markwitz
- 8th International Conference on Diffusion in Materials (DIMAT), 3 - 8 July 2011, Dijon, Burgundy, France. 26Al tracer diffusion in nominally undoped single crystalline α-Al2O3
P. Fielitz, G. Borchardt, S. Ganschow, R. Bertram
- “26Al tracer diffusion in nominally undoped single crystalline α-Al2O3”. Defect and Diffusion Forum Vols. 323-325 (2012) 75-79
P. Fielitz, G. Borchardt, S. Ganschow, R. Bertram
(See online at https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/DDF.323-325.75)
