Modellierung der metastabilen Phasenbildung flächenzentrierter kubischer Ti-V-Nb-Ta-Al-N- Dünnschichten mit komplexer chemischer Zusammensetzung

• Antragsteller: Professor Jochen M. Schneider, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 513498451

Metastabile Phasen treten in der Dünnschichtsynthese häufig auf. Grund hierfür sind kinetische Prozesslimitierungen, die eine Vorhersage der Phasenbildung stark erschweren. Zuletzt wurden von uns die metastabilen Löslichkeitsgrenzen von AlN in kubischflächenzentrierten Ti1−xAlxN-Dünnschichten untersucht. Auf der Grundlage dieser Vorarbeiten soll hier eine Vorhersage der metastabilen Phasenbildung kubisch-flächenzentrierter Ti-V-Nb-Ta-Al-N-Dünnschichten komplexer chemischer Zusammensetzung mittels eines korrelativen theoretisch-experimentellen Ansatzes erarbeitet werden. Die Verwendung multi-elementarer Dünnschichten kann in einigen Fällen bisher unerreichtes Anwendungspotential sowohl in Bezug auf die thermische Stabilität als auch auf die mechanischen Eigenschaften bergen. Unsere Forschungsstrategie beinhaltet die kombinatorische Synthese quaternärer Ti-V-Al-N-, quinärer Ti-V-X-Al-N- (X = Nb or Ta) und senärer Ti-V-Nb-Ta-Al-N-Dünnschichten und ihre experimentelle Charakterisierung bezüglich der chemischen Zusammensetzung und Struktur. Komplementär werden Bildungsenthalpien, Gitterparameter, elastische konstanten und Aktivierungsenergien für Oberflächen- und Volumendiffusion für verschiedene Zusammensetzungen ab initio unter Verwendung dichtefunktional-theoretischer Methoden bestimmt. Durch Verwendung der experimentell und theoretisch bestimmten Größen als Eingangsdaten für thermochemische Berechnungen unter Verwendung der CALPHAD-Methode werden die entsprechenden Stoffsysteme modelliert. Dieser für ternäre Nitride bereits etablierte Ansatz soll auf die hier zu untersuchenden chemisch komplexen Systeme übertragen und kritisch evaluiert werden. Ziel ist die Erstellung metastabiler Phasendiagramme für die Systeme TiN-VNAlN, NbN-TiVN-AlN, TaN-TiVN-AlN und NbTaN-TiVN-AlN. Es wird erwartet, dass diese Phasendiagramme als Grundlage für zukünftiges wissensbasiertes Design kubisch-flächenzentrierter Dünnschichten und Werkstoffe mit komplexer chemischer Zusammensetzung dienen werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen