Nanokristalline y-Al2O3 Schichten, - Grundlegende Untersuchungen zu Synthese, Struktur und Zerspanungseigenschaften

• Applicant: Professor Jochen M. Schneider, Ph.D.
• Subject Area: Materials Engineering
• Term: from 2006 to 2012
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 29855752

Aus technischer Sicht ist die Nutzung der hervorragenden Korrosions- und Verschleißeigenschaften der im Vergleich zu α-Al2O3 bei wesentlich niedrigeren Temperaturen abgeschiedenen γ-Al2O3-Dünnschichten von hohem Interesse, da somit auch temperaturempfindliche Substrate, z. B. Stähle, beschichtet werden können. Im ersten Bewilligungszeitraum konnten mit Erfolg γ-Al2O3-Dünnschichten mittels verschiedener Syntheseverfahren abgeschieden und eine unerwartet hohe thermische Stabilität nachgewiesen werden. Aufgrund der Schwierigkeit der gezielten Variation der Partikelgröße in den abgeschiedenen Schichten konnte die ursprüngliche Hypothese einer Korrelation der Korngröße mit der Stabilität nicht zufriedenstellend überprüft werden. Es wurde jedoch nachgewiesen, dass die thermische Stabilität der verwendeten TiAlNZwischenschicht entscheidenden Einfluss auf die γ→α-Al2O3-Phasenumwandlung hatte, da insbesondere das bei der TiAlN-Zersetzung freiwerdendes AlN im Kontakt mit Sauerstoff zu α-Al2O3 oxidiert und als Keimling für die γ→α-Al2O3-Umwandlung der darüber liegenden γ-Al2O3-Schicht wirkt.Im beantragten Projekt soll daher zunächst die TiAlN-Zwischenschicht durch eine stabilere CrAlN-Schicht ersetzt werden. Ferner soll durch gezielte Dotierung mit Si das Kornwachstum während der Schichtsynthese gesteuert. Alternativ hierzu soll durch Dotierung mit Y die Sauerstoffdiffusion durch die γ-Al2O3-Schicht kontrolliert und somit die γ→α-Al2O3-Umwandlungskinetik beeinflusst werden. Dazu sollen γ-Al2O3-Dünnschichten mittels gefiltertem kathodischem Bogen (Filtered Cathodic Arc, FCA) und mittels High Power Pulsed Magnetron Sputtering (HPPMS) synthetisiert werden. Neben der bereits im ersten Bewilligungszeitraum eingesetzten FCA-Technologie birgt gerade die HPPMSTechnologie durch nahezu vollständige Ionisation des Plasmas ein hohes Potential zur gezielten Einstellung von Schichtstruktur, -zusammensetzung und -morphologie. Zur Identifikation geeigneter chemischer Zusammensetzungen, insbesondere in Bezug auf die angestrebten Dotierungselemente Si und Y, soll die kombinatorische Materialsynthese eingesetzt werden, die durch geeignete Anordnung der Targets die Abscheidung mehrdirektional gradierter Schichten in einem einzigen Beschichtungszyklus erlaubt. Durch Charakterisierung dieser Schichten können somit in relativ kurzer Zeit geeignete Schichtzusammensetzungen identifiziert werden, die als Grundlage für die weitere Prozessentwicklung dienen und deren Leistungsfähigkeit in begleitenden Zerspanungsversuchen untersucht wird. Diese Maßnahmen sollen die Überprüfung der ursprünglichen Forschungshypothese, dass die thermische Stabilität der γ-Al2O3-Dünnschichten mit der Korngröße korreliert, ermöglichen.

• DFG Programme: Research Grants