TaN thin films deposited by modulated pulsed power magnetron sputtering: Coating solutions for harsh environments

286 p.Los recubrimientos duros que se utilizan actualmente en la Industria para aumentar la vida útil de distintos componentes, están basados en nitruros metálicos de transición depositados por la técnica de magnetrón sputtering en corriente continua (DCMS por sus siglas en ingles). Sin embargo, y a pesar del elevado número de metales de transición existentes, la mayoría de recubrimientos están formados por uno o dos de los siguientes elementos: titanio, cromo, zirconio y aluminio. Actualmente, los materiales se enfrentan a fenómenos de degradación por corrosión en multitud de aplicaciones. Las capas delgadas depositadas mediante magnetrón sputtering convencional, generalmente, no cumplen los requisitos necesarios para proteger al material base o substrato de la corrosión durante un periodo de tiempo largo. La microestructura de las capas depositadas por magnetrón sputtering tiende a ser poco densa y exhibe un crecimiento columnar, debido a la baja ionización del plasma generado durante la descarga, características que provocan la penetración de los medios corrosivos a través de los defectos de los recubrimientos, exponiendo el material base al ataque químico . Por ello, el aumento de la ionización del plasma durante el proceso de sputtering es uno de los principales objetivos que se persigue en este campo, con el fin de desarrollar recubrimientos con propiedades mejoradas, capaces de soportar condiciones de trabajo más severas. El principal objetivo de esta tesis es el desarrollo de recubrimientos protectores frente a corrosión basados en nitruro de Tántalo (TaN) mediante la nueva tecnología conocida como Modulated pulsed power magnetron sputtering (MPPMS). Los recubrimientos de TaN tienen un gran potencial para aplicaciones con elevadas exigencias de resistencia a la corrosión, debido a la excelente estabilidad química del Tántalo, comparable a la de los metales nobles. Sin embargo, su comportamiento electroquímico en ambientes corrosivos ha sido poco explorado. La multitud de fases cristalinas distintas que exhibe el TaN en forma de capa delgada, con sus correspondientes propiedades diferentes, puede ser una de las razones por la cual este recubrimiento sigue siendo un gran desconocido, a diferencia de los ampliamente estudiados TiN, CrN o ZrN. La tecnología MPPMS es una variante del magnetrón sputtering convencional. Durante MPPMS, la potencia se aplica al blanco de sputtering mediante pulsos cortos de baja frecuencia dando lugar a potencias e intensidades de pico 2 órdenes de magnitud mayores que durante el sputtering convencional. Este fenómeno da lugar a la generación plasmas altamente ionizados, que incluyen un largo número de iones metálicos provenientes del blanco. La energía y la dirección de estos iones, pueden ser, por tanto, controlada mediante la aplicación de campos eléctricos en el portasubstratos, siendo una herramienta muy poderosa para la deposición de capas con propiedades mejoradas. De hecho, los recubrimientos depositados por MPPMS muestran una mayor adherencia, una microestructura más densa y un menor número de defectos que aquellos depositados por magnetrón sputtering convencional. En esta tesis, se ha estudiado la utilización de la técnica de MPPMS para la deposición de capas de protectoras de TaN frente a corrosión en un sistema de sputtering industrial. Para ello, se llevó a cabo una evaluación exhaustiva de las propiedades de las capas de TaN desarrolladas. Primeramente, se estudió la influencia del flujo de N2 utilizado como gas reactivo durante el proceso de sputtering, en la composición, microestructura y propiedades de las capas de TaN. Se investigó de manera más profunda la resistencia a la corrosión de las distintas capas de TaN (caracterizadas por distintos contenidos de nitrógeno) en NaCl. Por último, se evaluó la viabilidad industrial de la tecnología de MPPMS para la deposición de recubrimientos. Una vez adquirido un conocimiento general del comportamiento electroquímico de los recubrimientos de TaN producidos por MPPMS, se exploró la viabilidad de estos recubrimientos como capas protectoras para componentes en dos aplicaciones reales que están sometidas a fenómenos de corrosión: los implantes biomédicos y las pilas de combustible de membrana polimérica. Se depositaron recubrimientos multicapa de TaN para mejorar el comportamiento y la durabilidad del titanio puro en implantes biomédicos. Los implantes están expuestos al fenómeno conocido como tribocorrosion, el cual se define como la degradación irreversible que sufren los materiales por la acción simultanea de procesos de corrosión y desgaste. Los implantes están sometidos a distintos tipos de cargas mecánicas una vez implantados en el cuerpo humano, que además, al ser un medio acuoso da lugar a la aparición de fenómenos corrosivos. La pérdida de material provocada por fenómenos de tribocorrosion es uno de los principales mecanismos de fallo de los implantes. El Titanio puro posee una excelente estabilidad química y biocompatibilidad, pero exhibe una baja estabilidad mecánica que compromete la durabilidad de los implantes fabricados con este material. En esta tesis se llevó a cabo la evaluación del comportamiento de recubrimientos de TaN multicapa sobre Titanio puro y se exploró su potencial para aumentar la durabilidad del mismo como material para la fabricación de implantes. Los resultados se compararon con Titanio puro sin recubrir. Las pilas de combustible de membrana polimérica (PEMFC, por sus siglas en inglés) son dispositivos electroquímicos que convierten la energía química del hidrogeno en energía eléctrica, siendo el vapor de agua el único residuo generado. Las pilas PEMFC son consideradas una de las alternativas no contaminantes más prometedoras al petróleo para la generación de energía en un futuro próximo. La placa bipolar es uno de los componentes más importantes de la pila dado que conduce la electricidad generada dentro de la misma, distribuye los gases, disipa el calor y dota de estabilidad mecánica a toda la celda. El acero inoxidable es el material seleccionado para la fabricación de placas bipolares en pilas PEMFC. Sin embargo, la resistencia a la corrosión y la conductividad del acero deben ser mejoradas para el correcto funcionamiento de las placas bipolares a largo plazo. En esta tesis, se desarrollaron recubrimientos TaN mediante MPPMS con el fin de mejorar las propiedades del acero y su durabilidad como material base de la placa bipolar. Se investigaron las propiedades electroquímicas y eléctricas de las placas de acero inoxidable recubiertas con TaN en ambiente simulados de pilas PEMFC. También se exploró el comportamiento de un recubrimiento bicapa formado por una capa de Tántalo (Ta) seguida de una capa de ITO (oxido de indio dopado con estaño) como posible solución para proteger las placas bipolares de acer

Electrochemical migration of Sn and Ag in NaCl environment

The impact of chloride ion concentration on electrochemical migration (ECM) of tin and silver was studied by using an in-situ optical and electrical inspection system. It was found, that in both cases, dendrites grow not only in an electrolyte solution at low chloride concentration but also in an electrolyte at medium and high or even saturated chloride concentrations as well. According to the results, the migration susceptibility has decreased at low and medium concentration levels in both cases. However, the ECM susceptibility of Ag has increased, while the migration susceptibility of Sn was decreased at the saturated concentrations

Detection and Analysis of Corrosion and Contact Resistance Faults of TiN and CrN Coatings on 410 Stainless Steel as Bipolar Plates in PEM Fuel Cells

© 2022 by the authors. Licensee MDPI, Basel, Switzerland. This article is an open access article distributed under the terms and conditions of the Creative Commons Attribution (CC BY) license (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).Bipolar Plates (BPPs) are the most crucial component of the Polymer Electrolyte Membrane (PEM) fuel cell system. To improve fuel cell stack performance and lifetime, corrosion resistance and Interfacial Contact Resistance (ICR) enhancement are two essential factors for metallic BPPs. One of the most effective methods to achieve this purpose is adding a thin solid film of conductive coating on the surfaces of these plates. In the present study, 410 Stainless Steel (SS) was selected as a metallic bipolar plate. The coating process was performed using titanium nitride and chromium nitride by the Cathodic Arc Evaporation (CAE) method. The main focus of this study was to select the best coating among CrN and TiN on the proposed alloy as a substrate of PEM fuel cells through the comparison technique with simultaneous consideration of corrosion resistance and ICR value. After verifying the TiN and CrN coating compound, the electrochemical assessment was conducted by the potentiodynamic polarization (PDP) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) tests. The results of PDP show that all coated samples have an increase in the polarization resistance (R_p) values (ranging from 410.2 to 690.6 〖Ω·cm〗^2) compared to substrate 410 SS (230.1 〖Ω·cm〗^2 ). Corrosion rate values for bare 410 SS, CrN, and TiN coatings were measured as 0.096, 0.032, and 0.060 mpy, respectively. Facilities for X-ray Diffraction (XRD), Scanning Electron Microscope (SEM ), and Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDXS) were utilized to perform phase, corrosion behavior, and microstructure analysis. Furthermore, ICR tests were performed on both coated and uncoated specimens. However, the ICR of the coated samples increased slightly compared to uncoated samples. Finally, according to corrosion performance results and ICR values, it can be concluded that the CrN layer is a suitable choice for deposition on 410 SS with the aim of being used in a BPP fuel cell system.Peer reviewedFinal Published versio

High Resolution Ion Beam Investigations of the Mechanisms of Titanium Anodization

The unique behaviour of thin films, and their surfaces and interfaces, significantly impact material and device properties. Probing these structures with ion beams (IB) provides quantitative composition and thicknesses measurements. In this dissertation, the IB techniques of medium energy ion scattering (MEIS), nuclear reaction profiling (NRP) and Rutherford backscattering spectrometry (RBS) are used to analyze energy losses in ultra-thin films, as well as elucidate the mechanisms of anodic film growth. Accurate stopping cross sections of protons, ε, in the medium energy range (50-170 kV) often show deviations from Bragg’s rule. Here, εTi, εSi, and εTiO2, where derived from MEIS spectra. Thickness and composition of Ti, Si, and TiO2 films were determined using RBS, MEIS, and X-ray photoelectron spectroscopy. εTiO2 are systematically lower (≈14%) and the stopping maximum occurs at higher energies, compared to SRIM2013. Our experimental εTi and εTiO2 values allowed estimates of εO, which better predict the stopping maximum of previously reported εSrTiO3. This suggests that the effect of different electronic environments on the ε of O should not be neglected when applied to metal oxides. Depth-profiling with MEIS and NRP, and 16O/18O isotopic labeling, can elucidate anodization growth models. Thin Ti films on Si(001) were exposed to H218O, and anodized in D216O potentostatically. Adonization at 0 - 10 V results in a bi-layer structure: Ti16O2/Ti18O2/Ti. The Ti16O2 region is on the oxide surface and the Ti18O2 region at the oxide/metal interface (composed of the original 18O atoms). The O depth profiles are consistent with the point defect model (PDM), in which anodic oxide growth is due to ionic transport via the continual generation and annihilation of point defects in the oxide. A new in situ electrochemical cell was designed, constructed, and used to collect RBS data under potentiostatic control. Features of Ti anodization were observed by in situ RBS, for Ti thin films sputter-deposited onto 100 nm thick SiN windows. The evolution of the elemental depth profiles for Ti and O spectra were consistent with the PDM, while Cl incorporation, likely happens during the formation of oxide monolayers from Ti4+ precipitation. Compositional differences between in situ and ex situ measurements are emphasised