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DFG: Untersuchung zum Einfluss der Herstellungsbedingungen und des De-signs auf die tribo-mechanischen Eigenschaften und Eigenspannungen mehr-lagiger PVD-Schichtsysteme

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Projektbearbeiter: Diego Grisales Pareja

Grundsätzlich haben Eigenspannungen in mehrlagigen PVD-Schichten einen er-heblichen Einfluss auf das tribo-mechanische Schichtverhalten. In vorangegange-nen Versuchen, in denen unterschiedliche Vorbehandlungsmaßnahmen und De-signs 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 Er-wartungen konnte ferner ein Eigenspannungsanstieg in den Keramiklagen mit steigender metallischer Zwischenschichtdicke nachgewiesen werden, infolgedes-sen die Schichtcha-rakteristika beeinflusst wurden. Es wird vermutet, dass dieses Verhalten auf mikrostrukturelle Unterschiededer 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, in-wieweit die strukturelle Veränderung bzw. unterschiedliche Wachstumsbedingun-gen die Eigenspannungen von PVD-Mehrlagensystemen beeinflussen. Zu diesem Zweck sollen die unterschiedlichen Schichtarchitekturen der mittels HIPIMS synthe-tisierten 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 mä-ßigen Schichteigenschaften des Ti/TiAlN-Mehrlagensystems eine neue Material-kombination TiAlN/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 thermi-schen Eigenspannungen ist die geringere Diskrepanz zwischen den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der beiden Keramikwerkstoffe als positiv zu bewerten. So können thermisch induzierte Eigenspannungen in den mehrlagigen Schichtsys-temen gemindert werden. Um schließlich Rückschlüsse auf das tribomechanische Verhalten der unterschiedlich hergestellten Schichtarchitekturen und Materialkom-binationen ziehen zu können, werden mechanische Untersuchungen mit Hilfe ei-nes Nanoindenters sowie tribologische Versuche mit einem Tribometer, einem Ritz-tester und einem Schlagprüfgerät durchgeführt. Abschließend werden diese Er-gebnisse mit denen des vorherigen Projekts verglichen und korreliert.

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Abbildung 1: Improvement of the tribomechanical properties of the PVD coatings throughout the combination of coating architecture, coating materials and deposition technologies

Veröffentlichungen:

2019

  • Tillmann, W.; Grisales, D.; Stangier, D. (2019) Effects of AISI H11 surface integrity on the residual stresses and adhesion of TiAlN/substrate compounds. Surface and Coatings Technology 357: 466–472. doi: 10.1016/j.surfcoat.2018.10.032

Vorträge:

2017

  • Tillmann W, Grisales D, Stangier D (2017) Phenomenological study of the influence of HiPIMS process parameters on the tribomechanical properties of TiAlN coatings. 8th International Conference on Fundamentals and Applications of HIPIMS, Braun-schweig, Germany, 13th - 14th June 2017.

2016

  • Tillmann W, Grisales D, Stangier D, Butzke T (2016) Tratamiento del sustrato metálico y su influencia en las propiedades de los recubrimientos de TiAlN depositados por PVD para la industria metalmecánica. 2° Simposio en nanociencia y nanotecnología, Bucaramanga, Colombia, Oct. 4-7, 2016.