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

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Projektbearbeiter: Diego Grisales Pareja

Grundsätzlich haben Eigenspannungen in mehrlagigen PVD-Schichten einen erheblichen Einfluss auf das tribo-mechanische Schichtverhalten. In vorangegangenen Versuchen, in denen unterschiedliche 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 Schichtcha-rakteristika 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 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 thermischen Eigenspannungen ist die geringere Diskrepanz zwischen den thermischen Ausdehnungskoeffizienten 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 ei-nes 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.

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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, Wolfgang; Grisales, Diego; Stangier, Dominic; Ben Jebara, Ines; Kang, Hoongoo (2019): Influence of the etching processes on the adhesion of TiAlN coatings deposited by DCMS, HiPIMS and hybrid techniques on heat treated AISI H11. In Surface and Coatings Technology 378, p. 125075. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2019.125075.
  • Tillmann, Wolfgang; Grisales, Diego; Stangier, Dominic; Butzke, Timo (2019): Tribomechanical Behaviour of TiAlN and CrAlN Coatings Deposited onto AISI H11 with Different Pre-Treatments. In Coatings 9 (8), p. 519. DOI: 10.3390/coatings9080519.
  • 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

2014

  • Sprute, Tobias; Tillmann, Wolfgang; Grisales, Diego; Selvadurai, Ursula; Fischer, Gottfried (2014): Influence of substrate pre-treatments on residual stresses and tribo-mechanical properties of TiAlN-based PVD coatings. In Surface and Coatings Technology 260, pp. 369–379. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2014.08.075.

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.