Untersuchung zum Einfluss der Herstellungsbedingungen und des Designs auf die tribo-mechanischen Eigenschaften und Eigenspannungen mehrlagiger PVD-Schichtsysteme

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Wolfgang Tillmann
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 191961127

Grundsätzlich haben Eigenspannungen in mehrlagigen PVD-Schichten einen erheblichen Einfluss auf das tribo-mechanische Schichtverhalten. In vorangegangenen Versuchen, in denen unter-schiedliche Vorbehandlungsmaßnahmen und Designs von DCMS erzeugten Ti/TiAlN-Schichtsystemen untersucht wurden, wurde festgestellt, dass hohe Eigenspannungen Schichtabplatzungen fördern und somit die Schutzfunktion der Schichten herabsetzen. Entgegen den ursprünglichen Erwartungen konnte ferner ein Eigenspannungsanstieg in den Keramiklagen mit steigender metallischer Zwischenschichtdicke nachgewiesen werden, infolgedessen die Schichtcharakteristika beeinflusst wurden. Es wird vermutet, dass dieses Verhalten auf mikrostrukturelle Unterschiede der Ti-Zwischenlagen zurückzuführen ist.Auf Grundlage dieser Versuche ist es geplant, die Mikrostruktur der Ti/TiAlN-Schichten mit Hilfe der HIPIMS-Technologie gezielt zu verändern. Der Vergleich dieser unterschiedlich hergestellten Schichten ermöglicht die Untersuchung, inwieweit die strukturelle Veränderung bzw. unterschiedliche Wachstumsbedingungen die Eigenspannungen von PVD-Mehrlagensystemen beeinflussen. Zu diesem Zweck sollen die unterschiedlichen Schichtarchitekturen der mittels HIPIMS synthetisierten Ti/TiAlN-Schichten hinsichtlich ihrer tiefenabhängigen Eigenspannungen untersucht werden. Neben klassischen Beugungsexperimenten sind in diesem Fall auch zusätzliche Nanodiffraktion-Experimente in Transmission geplant.Darüber hinaus soll aufgrund teilweise kritischer Eigenspannungszustände sowie der mäßigen Schichteigenschaften des Ti/TiAlN-Mehrlagensystems eine neue Materialkombination Ti-AlN/TiAlCN für das beantragte Projekt hinzugezogen werden. Neben einer sehr guten Korrosionsbeständigkeit weist diese Kombination zudem eine hohe thermische Stabilität sowie gute tribologische Eigenschaften aufgrund der Hinzugabe von Kohlenstoff auf. Im Hinblick auf die Entwicklung der thermischen Eigenspannungen ist die geringere Diskrepanz zwischen den thermischen Aus-dehnungskoeffizienten der beiden Keramikwerkstoffe als positiv zu bewerten. So können thermisch induzierte Eigenspannungen in den mehrlagigen Schichtsystemen gemindert werden.Um schließlich Rückschlüsse auf das tribomechanische Verhalten der unterschiedlich hergestellten Schichtarchitekturen und Materialkombinationen ziehen zu können, werden mechanische Untersuchungen mit Hilfe eines Nanoindenters sowie tribologische Versuche mit einem Tribometer, einem Ritztester und einem Schlagprüfgerät durchgeführt. Abschließend werden diese Ergebnisse mit denen des vorherigen Projekts verglichen und korreliert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Kolumbien, Taiwan
• Kooperationspartner: Professor Gilberto Bejarano, Ph.D.; Professor Dr. Yin-Yu Chang, Ph.D.
• Mitverantwortlich(e): Dr.-Ing. Ursula Selvadurai