Development of highly durable thin-film sensors for studying pressure and temperature distribution in contacts under mixed friction
Engineering Design, Machine Elements, Product Development
Final Report Abstract
Im Rahmen des Forschungsvorhabens konnte erfolgreich ein neuartiges Schichtsystem entwickelt werden, welches insbesondere den extremen tribologischen Bedingungen unter Mischreibung standhält. Es besteht aus einer Ti-C-H-Grundschicht, einer Pin-Hole armen Al2O3-Isolationsdoppellagenschicht, zwei verschiedenen Sensorschichten (Ti-Cr als Thermoelement und Manganin als Drucksensor), einer weiteren Pin-Hole armen Al2O3-Isolationsdoppellagenschicht sowie einer funktionellen Ti-C-H-Deckschicht. Als Syntheseverfahren kam HiPIMS zum Einsatz. Erstmalig gelang es, einen Temperatursensor erfolgreich auf Prüfwellen mit einer Sensorgröße von nur 20 µm x 40 µm aufzubringen und unter Mischreibungsbedingungen an einem Gleitlagerprüfstand einzusetzen, ohne ihn dabei zu beschädigen. Dies erforderte umfangreiche Arbeiten am Schichtsystem, welche viele Iterationen der Optimierung beinhaltete und deutlich umfangreicher und zeitaufwändiger als geplant waren. So wurde systematisch ein weites Parameterfeld experimentell untersucht. Es wurde im HiPIMS- und Gleichstrommodus, mit zwei verschiedenen, kohlenstoffhaltigen Reaktivgasen, CH4 und C2H2, verschiedenen Reaktivgasflüssen und unterschiedlichen Drucken sowie bei Substrattemperaturen zwischen 100°C und 400°C gearbeitet. Es konnten beispielsweise gezielt verschiedene Mikrostrukturen und Konstitutionen eingestellt werden. Die Nanokomposite zeigten eine hohe Härte von über 2000 HV bei einem einstellbaren Reibungskoeffizienten und konnten erfolgreich bei guter Haftung in das Schichtsystem integriert werden. Die mit diesem neuartigen Schichtsystem hergestellten Temperatursensoren wurden an einem einfachen Gleitlagerprüfstand unter tribologischen Beanspruchungen getestet und untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Sensoren den Beanspruchungen standhalten und es zu keiner Schädigung kommt. Deutliche Fortschritte im Vergleich zu früheren Arbeiten konnten auch im Bereich der Maskenherstellung mittels Laserfeinschneiden erzielt werden. Hierdurch konnten sehr kleine Sensorgrößen mit Spaltbreiten von 20 µm reproduzierbar realisiert werden. Auch der sogenannte Effekt der Unter-Masken-Beschichtung konnte durch geeignete Maßnahmen zur Manipulation des Flusses der schichtbildenden Teilchen erfolgreich minimiert werden. Die gewonnenen Erkenntnisse sind auf andere Anwendungsfälle übertragbar. Abschließend konnte für den Drucksensor gezeigt werden, dass eine deutliche Reduktion der Fadenlänge mit dem Ziel eines quasi-punktförmigen Sensors prinzipiell möglich ist und die verwendeten Masken die Herstellung solcher Sensoren zulassen. Die Ergebnisse und Erkenntnisse aus den Untersuchungen am Temperatursensor sollen im nächsten Schritt auf Drucksensoren übertragen werden. Neben den Erkenntnissen zu den Sensoren wurden durch das Forschungsvorhaben wichtige Erkenntnisse hinsichtlich des HiPIMS Verfahren und der Synthese hochisolierender, Pin-Hole armer Schichten generiert, von denen künftige Forschungsvorhaben profitieren werden.
Publications
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A simple method to investigate variations in electric conductivity of thin-layer coatings, WTC 2017: 6th World Tribology Congress, Peking, China, 17. – 22. September, 2017
Wantzen, K.; Pavlides, C.; Albers, A.
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The effect of annealing on mechanical properties and constitution of TiC:H and TiC/a-C:H thin films deposited by high power impulse magnetron sputtering, 8th International Conference on Fundamentals and Industrial Applications of HIPIMS, Braunschweig, Deutschland, 13. – 14. Juni 2017
Poltorak, C.; Schweiger, S.; Leiste, H.; Mikulla, C.; Erbes, K. P.; Rinke, M.; Wantzen, K.; Pavlides, C.; Burger, W.; Albers, A.; Stüber, M.; Ulrich, S.
