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Production of titanium diboride coatings by electrolysis of high-temperature molten salts
Nataliia Rybakova
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Chemie
Betreuer*in
Peter Franz Rogl
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Alle Rechte vorbehalten / All rights reserved
DOI
10.25365/thesis.15601
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-29991.80381.678953-7
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Abstracts

Abstract
(Deutsch)
Das Ziel dieser Arbeit ist es, die Elektrochemie von Titan- und Borkomplexen bei Temperaturen von 600 bis 700°C zu untersuchen, um die optimale Temperatur für die elektrochemische TiB2 Bildung festzustellen. Der Einfluss der verschiedenen Faktoren auf die mechanischen Eigenschaften, Morphologie und die Qualität der TiB2 Beschichtungen von FLiNaK und Chlorid-Fluorid-Elektrolyte wurde erforscht um die optimalen Bedingungen der TiB2-Abscheidung von hoher Qualität zu bestimmen. Folgende Parameter wurden variiert: Strom Modus (Pulsstrom-Verfahren, die in Form von bipolaren und unipolaren (periodischen) Strompulsen - statt der konstanten Gleichstrom, angewendet wird), Stromdichte, Frequenz, Strom-Zeit Profile, Probenvorbereitung (chemisch oder mechanisch), Additive in den Elektrolyten (TaCl5) und die Temperatur des Prozesses. Der Einfluss auf die Korrosion an den TiB2-Oberflächen wurde in Kontakt mit flüssigen Aluminium-Legierungen ebenfalls untersucht. Die Struktur der Komplexe in den Elektrolyten wurde mittels FTIR Spektroskopie identifiziert. Die Analyse der Beschichtungen wurde mittels der Rasterelektronenmikroskopie in Kombination mit der Energie-dispersiven X-ray-Spektrometrie, Röntgenbeugung, optische Mikroskopie, Mikro-Härteprüfgerät und Rasterkraftmikroskopie durchgeführt. Es wurde eine Korrelation zwischen der Morphologie der Schichten, den strukturellen Eigenschaften und Abscheidungsbedingungen beobachtet. Es wurde festgestellt, dass die Morphologie und Rauheit der Schichten stark vom Strom Modus und den Abscheidungsbedingung abhängt. Die Schichten mit der geringsten Rauhigkeit (Ra = 102 ± 5 nm) wurden durch bipolare Strompulse erhalten. Die Werte der Mikrohärte liegen, abhängig von der Pulsfrequenz, zwischen 1800-2400 MPa. Die Eigenspannungen liegen zwischen -0.7 bis -1.3 GPa, wobei das Minimum bei einer Pulsfrequenz von 20 bis 100 Hz ermittelt wurde. Die Ergebnisse der Untersuchung des Einflusses von TaCl5 als Additive auf die Eigenschaften der TiB2 Schichten zeigen, dass eine niedrige Konzentration von TaCl5 in der Schmelze die Qualität der Überzüge verbessert. Co-Abscheidung von TaB2 in TiB2 Schicht verkleinert die Korngröße und vermindert die Rauhigkeit der Abscheidung. Bei Zugabe von TaCl5 erhält man Schichten von hoher Qualität bei gleichzeitig guter Reproduzierbarkeit. TiB2 Schichten können Mo Substrate gegen Korrosion in flüssigen Al-Legierungen schützen. Es wurden am Interface TiB2-Metallschmelze keine sichtbaren Korrosionsspuren festgestellt. Die Optimierung des elektrochemischen Abscheidungsverfahrens zur Herstellung von homogenen und dichten Schichten aus TiB2 auf verschiedenen Substraten aus Hochtemperatur-Salzschmelzen führte zu einem reproduzierbaren und attraktiven Prozess für den industriellen Gebrauch.
Abstract
(Englisch)
This work is aimed at a more detailed investigation of the electrochemical reduction process of TiF62- and BF4- species at the temperature range of 600-700ºC to evaluate the optimal temperature for the electrochemical TiB2 forming and to contribute to a better understanding on the overall reaction behaviour in FLiNaK electrolyte. The influence of different factors such as current mode (pulse plating (PP) techniques in forms of periodically reversed (PRC) and periodically interrupted current (PIC), current density, frequency and pulse shape, substrate pre-treatment (chemical or mechanical), additive (TaCl5) in the electrolyte and the temperature of the process on the mechanical properties, morphology and the quality of the TiB2 coatings deposited out of FLiNaK and chloride-fluoride electrolytes was investigated to determine the optimal conditions for the electrochemical deposition of TiB2 coatings of high quality. The corrosion behaviour of molybdenum materials, protected by electrochemically plated TiB2 coatings, in contact with liquid aluminium alloys was studied. For determining the nature of the complexes in the electrolyte, infrared spectroscopy was used. The analysis of the coatings was conducted using scanning electron microscopy in combination with the energy-dispersive X-ray spectrometry, the X-ray diffraction analysis, optical microscopy, micro-hardness tester and atomic force microscopy. Correlation between the morphology of the deposits, structural properties and deposition parameters was established. It was found that the morphology and roughness of the deposits depend strongly on the deposition method and conditions. The coatings with the lowest roughness (Ra=102±5 nm) were obtained by PRC pulse plating. The values of microhardness were in the range of 1800-2400 MPa depending on the pulse frequency in PIC electrolysis. The residual stresses are related to the frequency of deposition and vary in the range of -0.7 GPa to -1.3 GPa, being the minimum at pulse frequency of 20 and 100 Hz. Results on the investigation of the influence of TaCl5 additive in FLiNaK electrolyte on the properties of the deposited TiB2 layers show that a low concentration of TaCl5 in the melt significantly changes the chemical composition and therefore the properties of the coatings. Co-deposition of TaB2 in TiB2 layer decreases the grain size and improves the smoothness of the layer. Addition of TaCl5 in the electrolyte permits to obtain TiB2-TaB2 layers of high quality and makes the process reproducible. It was established that TiB2 coatings effectively protect Mo surface against corrosion in molten Al alloys. No visible traces of corrosion were detected on the liquid metal – TiB2 interface in corrosion tests. The optimization of electrochemical deposition process for the production of homogeneous and dense layers of TiB2 on various substrates from high temperature molten salts was achieved to make the process reproducible and attractive for industrial application.

Schlagwörter

Schlagwörter
(Englisch)
Titanum Diboride Electrochemical deposition High-temperature molten salts FLINAK
Schlagwörter
(Deutsch)
Titandiborid Elektrochemische Abscheidung Hochtemperatur-Salzschmelze FLINAK
Autor*innen
Nataliia Rybakova
Haupttitel (Englisch)
Production of titanium diboride coatings by electrolysis of high-temperature molten salts
Paralleltitel (Deutsch)
Elektrochemische Abscheidung von Titandiborid aus Hochtemperatur-Salzschmelzen
Publikationsjahr
2011
Umfangsangabe
156 S. : graph. Darst.
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Herbert Ipser ,
Christoph Kleber
Klassifikation
35 Chemie > 35.14 Elektrochemie
AC Nummer
AC08924729
Utheses ID
13993
Studienkennzahl
UA | 091 | 419 | |
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