Microstructural characterization of yttria-stabilized zirconia thermal barrier coatings grown on sapphire substrates

Abstract

The present work systematically addresses, for the first time, the characterization of interfaces between thermal barrier coatings (TBCs) and the underlying thermally grown aluminum oxide (TGO) using a model system comprising yttria-stabilized zirconia (YSZ) deposited by electron-beam physical vapor deposition (EB-PVD) on basal plane sapphire. The results provide new insight into the initial stages of TBC growth and especially on the development of texture and the influence of crystallographic orientation relationships at the YSZ/sapphire interface. The YSZ films investigated were deposited at moderate-to-low rates on stationary and rotated substrates, to assess the effects of changing the vapor incidence pattern on the microstructures of interface and coating. A second model system comprising YSZ seeds prepared by solution precursor methods on similar sapphire substrates was used to investigate the potential for modifying texture and column microstructure by templating the growth. The microstructure of the coating and the interface were characterized by X-ray diffraction (XRD), Scanning Electron Microscopy (SEM), Transmission Electron Microscopy (TEM), High-Resolution TEM (HRTEM). TBCs deposited on stationary substrates resulted in a dense columnar microstructure with a roof-top morphology and strong <100> out-of-plane fiber texture. It was shown that the <100> texture is templated by the substrate and, because most grains are equally competitive, gives rise to columns with persistent small diameters. Moreover, although the substrate promotes a strong out-of-plane epitaxy, it is rather non-selective with respect to the in-plane orientation, resulting in the observed fiber texture. A periodic variation in the vapor incidence pattern upon rotation yields a less dense, porous microstructure with a larger column diameter than those coatings on stationary substrates. Moreover, in addition to the <100> out-of-plane texture the coatings also exhibit a preferred in-plane orientation with the other <100> axes in-plane, parallel and perpendicular to the rotation axis. Porosity, morphology and texture are strongly correlated to the geometrical effect of rotation. TEM revealed again a common out-of-plane axis in the grains near the interface with multiple in-plane orientations but much less random than on the stationary substrates. Near the interface 83% of the grains exhibit one of the three possible variants of the [ ]S || [001]YSZ orientation relationship, each rotated 120° from one another around the [001]YSZ axis. The other 17% of the grains have intermediate orientations between these variants. The above coatings represent special cases of the mechanism of evolutionary selection, in which columns do not evolve from a spatially random array of nuclei on the substrate, but rather from an initial population with a strong out-of-plane orientation. In the absence of rotation most of the grains are equally competitive and, after a short initial period where stray grains are eliminated, most of the columns propagate with little variation in the diameter and crystallographic orientation. Upon rotation, only the orientation that allows all facets of the column tip to receive equal amount of flux may survive the evolutionary selection mechanism. Hence, a much smaller fraction of columns is selected, and their diameter increases until a steady state condition corresponding to the bi-axially textured film is developed. Because growth under rotation occurs at a slower rate, the grain structure at the interface also evolves during deposition, promoting those orientations that reduce the interfacial energy with the substrate. This results in the development of preferred interfacial variants after the nucleation stage, with a mechanism largely independent from the evolutionary selection process occurring at the growth front. The HRTEM investigations confirm the origin of the epitaxy right at the interface and also the absence of any inter-phases. TBCs deposited on seeded, rotating sapphire substrates show textures much less developed with some influence of the orientation of the seeds but with no evidence of epitaxial growth of the vapor deposited material on the seeds. The results reveal that the surface roughening resulting from the incorporation of seeds has a strong effect in delaying the evolution of the texture in spite of the presence of “favorable” sites. The texture in this case evolves in the more conventional manner, with rotation playing a predominant role over surface templating effects.

Die vorliegende Arbeit charakterisierte erstmals systematisch die Mikrostruktur an der Grenzfläche zwischen Wärmedämmschichten (Thermal Barrier Coatings TBC) und dem darunter thermisch aufwachsenden Aluminiumoxid (Thermally Groth Oxyde TGO) am Bsp. des Modellsystems Yttria-stabilisertes Zirkoniumoxid (YSZ) abgeschieden durch Elektronenstrahlverdampfen (Electron Beam Physical Vapor Deposition EB-PVD) auf der Basalebene (0001) von Saphireinkristallen. Die Ergebnisse bieten einen neuen Einblick in das Anfangsstadium des TBC-Wachstums, insbesondere der Texturentwicklung und des Einflusses der kristallographischen Orientierungsbeziehung an der YSZ/Saphir-Grenzfläche. Die untersuchten YSZ-Filme wurden auf stationären und rotierenden Substraten abgeschieden, um in Abhängigkeit des Materialflusses die Mikrostruktur der Grenzfläche an der Beschichtung zu studieren. Ein zweites Modellsystem, wofür sich auf dem Substrat YSZ-Keime befinden (hergestellt durch Precursor-Methoden auf Saphireinkristallen), erlaubt durch das Wachstum in Zeitschritten die Untersuchung der Veränderung der Textur und der Säulenmikrostruktur. Die Charakterisierung der Mikrostruktur erfolgte durch Röntgendiffraktometrie (XRD), Rasterelektronenmikros-kop, Transmissionselektronenmikroskop (TEM), und Hochauflösende TEM (HRTEM). TBC, abgeschieden auf stationären Substraten, zeigten eine dichte, säulenartige Mikrostruktur mit einer dachförmigen Morphologie und ausgeprägter <100> Fasertextur. Es wurde gezeigt, dass die <100> Fasertextur durch die Kristalloberfläche der Substratoberfläche bedingt ist, weil die meisten Körner vergleichbar konkurrierend sind. Die Säulen des TBC wachsen mit einem gleichmäßigen schmalen Durchmesser auf. Außerdem fördert das Substrat ein ausgeprägtes out-of-plane Kristallwachstum, d.h. es ist nicht selektiv im Vergleich zur in-plane Orientierung, woraus die beobachtete Fasertextur resultiert. Eine periodische Veränderung im Materialfluss während der Rotation führt zu einer weniger dichten, porösen Mikrostruktur mit großen Durchmessern der Säulen des TBC, verglichen zu dem unter stationären Bedingungen beschichteten Substraten. Außerdem zeigte das TBC zusätzlich zu der beobachteten <100> out-of-plane Fasertextur eine parallel und rechtwinklig zur Rotationsachse bevorzugte in-plane Kristallorientierung mit einer <100> -Achse in der Kristallebene. Porosität, Morphologie und Textur sind stark von der Rotationsgeometrie während des Elektronenstrahlverdampfens abhängig. TEM bestätigte nochmals die out-of-plane-Achse in den zur Grenzfläche benachbarten Körnern, wobei mehrere in-plane Kristallorientierungen mit einer geringen Anzahl als bei den stationären Substraten statistisch verteilt sind. An der Grenzfläche weisen 83% der Körner eine der drei möglichen Varianten der [10 0]S||[001]YSZ auf, jede gegenüber der anderen um 120° um die [001]YSZ Kristallorientierung gedreht. Der verbleibende Anteil der Körner von 17% hatte zwischen diesen Varianten liegende Kristallorientierungen. Das zuvor beschriebene TBC stellt einen speziellen Fall der Auswahl des Wachstumsmechanismus dar, in welchen die Säulen des TBC nicht ausgehend von einer statistischen Verteilung der Kristallorientierung der Keime auf dem Substrat aufwachsen, sondern von einer anfänglichen Verteilung mit einer ausgeprägten out-of-plane Kristallorientierung. Durch die Rotationsgeometrie sind die meisten Körner im Wachstumsmechanismus miteinander konkurrierend, wobei nach einer kurzen Anfangsperiode in der abweichende Körner ausscheiden, sich Säulen des TBC mit einer geringen Variation des Durchmessers und der kristallographischen Orientierung sich ausbilden. Während des Rotierens verbleibt der Wachstumsmechanismus, wo die Kristallorientierung aller Facetten an der Säulenspitze des TBC unter einen gleichmäßigen Materialfluss wächst. Deshalb wird nur ein geringerer Anteil der Säulen ausgewählt, und der Durchmesser steigt bis ein Gleichgewichtszustand an. Der Gleichgewichtszustand entspricht dem entwickelten zwei-axialen texturierten YSZ-Film. Da während der Rotation die Materialflussrate gering ist, veränderte sich während des Abscheidens die Kornstruktur an der Grenzfläche, wobei Kristallorientierungen die zur Reduktion der Oberflächenenergie mit dem Substrat führen bevorzugt werden. Diese Ergebnisse zum bevorzugten Wachstum an ausgewählten Kristallorientierungen nach der Keimbildungsphase, mit einem Mechanismus weitgehend unabhängig von der Wachstumsauswahl finden an der wachsenden YSZ-Oberfläche statt. HRTEM-Untersuchungen bestätigten das anfängliche epitaktische Wachstum an der Grenzfläche und das nicht vorhanden sein einer weiteren Grenzflächenphase. TBC, das auf mit Keimen geimpften, rotierenden Saphir-Einkristallen aufwuchs, zeigte eine weit geringere Texturierung, wie es die Verteilung der Kristallorientierung der Keime vermuten lässt. Die Ergebnisse zeigten, dass die aus Aufbringen der Keime folgende Oberflächenrauhigkeit eine Texturentwicklung an den bevorzugten Kristallorientierungen stark verzögert. Die Texturierung geschah in diesem Fall auf einen mehr konventionellen Weg, wo die aus der Rotationsgeometrie folgende Oberflächenabschirmung einen wichtigen Einfluss hatte.