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

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 Schichtcharakteristika 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 tribo-mechanische Verhalten der unterschiedlich hergestellten Schichtarchitekturen und Materialkombinationen ziehen zu können, werden mechanische Untersuchungen mit Hilfe eines 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.

1. T. Sprute, W. Tillmann, D. Grisales, U. Selvadurai, G. Fischer: Influence of substrate pre-treatments on residual stresses and tribo-mechanical properties of TiAlN-based PVD coatings. Surface and Coatings Technology 260 (2014) 369–379. doi: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2014.08.075
2. W. Tillmann, D. Grisales, D. Stangier: Effects of AISI H11 surface integrity on the residual stresses and adhesion of TiAlN/substrate compounds. Surface and Coatings Technology 357 (2019) 466–472. doi: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2018.10.032
3. W. Tillmann, D. Grisales, D. Stangier, T. Butzke: Tribomechanical Behaviour of TiAlN and CrAlN Coatings Deposited onto AISI H11 with Different Pre-Treatments. Coatings 9 (2019) 519. doi: https://doi.org/10.3390/coatings9080519
4. W. Tillmann, D. Grisales, D. Stangier, B.J. Ines, H. Kang: Influence of the etching processes on the adhesion of TiAlN coatings deposited by DCMS, HiPIMS and hybrid techniques on heat treated AISI H11. Surface and Coatings Technology 378 (2019) 125075. doi: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2019.125075
5. W. Tillmann, D. Stangier, D. Grisales: TiAlN-Beschichtungen mittels hoch-energetischer Kathodenzerstäubung. Vakuum in Forschung und Praxis 32 (2020) 26-32. doi: https://doi.org/10.1002/vipr.202000737
6. W. Tillmann, D. Grisales, C. Marin Tovar, E. Contreras, D. Apel, A. Nienhaus, D. Stangier, N.F. Lopes Dias: Tribological behaviour of low carbon-containing TiAlCN coatings deposited by hybrid (DCMS/HiPIMS) technique. Tribology International 151 (2020) 106528. doi: https://doi.org/10.1016/j.triboint.2020.106528
7. W. Tillmann, D. Grisales, D. Stangier, C.A. Thomann, J. Debus, A. Nienhaus, D. Apel: Residual stresses and tribomechanical behaviour of TiAlN and TiAlCN monolayer and multilayer coatings by DCMS and HiPIMS. Surface and Coatings Technology 406 (2021) 126664. doi: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2020.126664
8. W. Tillmann, D. Grisales, A.M. Echavarría, J.A. Calderón, G.B. Gaitan: Effect of Ag Doping on the Microstructure and Electrochemical Response of TiAlN Coatings Deposited by DCMS/HiPIMS Magnetron Sputtering. Journal of Materials Engineering and Performance 31 (2022) 3811–3825. doi: https://doi.org/10.1007/s11665-021-06467-9

1. W. Tillmann, D. Grisales, D. Stangier, T. Butzke: 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, Kolumbien, 4-7 Oktober 2016.
2. W. Tillmann, D. Grisales, D. Stangier: 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, Braunschweig, Deutschland, 13-14 Juni 2017.

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