Mechanismen bei Sinterprozessmodifikationen von mehr-komponentigen Sputtermaterialien und der phasenspezifischen Abscheidung von AlCrSi(W,Ta)N

Dieses Forschungsvorhaben untersucht die Wechselwirkungen von sintertechnologischen Prozessen für mehrkomponentige Targetwerkstoffe, welche im Anschluss zur Ausbildung von Nanocomposite-Strukturen genutzt werden. Die Basis dieser Strukturen bildet das AlCrSiN-System, bestehend aus nanokristallinen Körnern (nc-(Al, Cr)N), welche in einer amorphen Matrix (a-Si₃N₄) eingebettet sind. Ziel ist es, durch eine Dotierung mit Wolfram bzw. Tantal, die Mechanismen zur Härtesteigerung sowie die Verschleiß- und Oxidationsbeständigkeit dieses Schichtsystems zu verstehen. Grundlegende Analysen des Sinterprozesses für das CrSi(W,Ta)-System dienen zur Synthese niedrigporöser Targetsegmente, welche in einem monolithischen Aluminiumkörper eingelassen werden (vgl. Abbildung).

Beim Heißpressen von CrSi(W,Ta) werden diffusions- und verdichtungsunterstützende Modifikationen der Sinterparameter Temperatur, Druck und Sinterzeit sowie der Stöchiometrie vorgenommen. Die dabei auftretenden Diffusions- und Phasenbildungsmechanismen sind bislang noch nicht ergründet. Zur Steigerung der Diffusionsgeschwindigkeit werden feindisperse Nanopulver für die Refraktärmetalle W und Ta eingesetzt. Agglomerationen von Pulverpartikeln werden in Form einer Pulverbeschichtung mittels Arc-PVD vermieden, um eine homogene Verteilung der Partikel in den gesinterten Segmenten zu erzielen. Basierend auf einer simulationsgestützten Selektion der Ausgangsmaterialien werden Sinterungen mit fester/flüssiger Phase realisiert, welche eine ausgeglichene Bildung intermetallischer Phasen begünstigen und damit zur Identifikation porositätsminimierender Mechanismen aufgrund der Prozessmodifikationen verhelfen. Durch stöchiometrische Variationen in den CrSi(W,Ta)-Segmenten, sowie der Anzahl an Segmenten im Al-Target, werden die Nanostrukturen der reaktiv abgeschiedenen AlCrSi(W,Ta)N-Dünnschichten mit den intermetallischen Phasen im Target korreliert. Von besonderem Interesse sind dabei die Variation der Si-, W- und Ta-Gehalte, welche sowohl kornfeinende als auch mischkristallverfestigende Mechanismen hervorrufen können und somit direkten Einfluss auf die Härte, Verschleißfestigkeit und Oxidationsbeständigkeit der Schicht besitzen.

Das übergeordnete Ziel dieses Forschungsvorhabens besteht darin, die Analyse der Wechselwirkungen der chemischen Zusammensetzung sowie der Phasenkomposition neuer Targetwerkstoffe ganzheitlich mit den resultierenden tribo-mechanischen Schichteigenschaften von Nanocomposite-Strukturen zu vereinen. Insbesondere der Einfluss der W- und Ta-Gehälter auf das Oxidationsverhalten wird im Detail untersucht. Abschließend werden die AlCrSi(W,Ta)N-Schichtsysteme auf Zerspanungswerkzeugen appliziert, sodass gezielt Einflüsse der Dotierungselemente unter realen Produktionsbedingungen verifiziert und analysiert werden können.

1. W. Tillmann, M. Ferreira, D. Stangier, A. Fehr: Investigation of Sintering Parameters Affecting the Densification and Diffusion of CrSiW for the Use as Sputter Material. Proceedings Euro PM2017, Mailand, Italien, 1.-5. Oktober 2017.
2. W. Tillmann, A. Fehr: Influence Of The W-particle Size On The Densification And Diffusion Behavior Of CrSiW. Proceedings Euro PM2018, Bilbao, Spanien, 14.-18. Oktober 2018.
3. W. Tillmann, A. Fehr, M. Ferreira, D. Stangier: An examination of interactions between temperature, pressure, sintering time, and Si/W ratio on the sintering behavior of CrSiW. International Journal of Refractory Metals & Hard Materials 73 (2018), 146-156. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2018.02.012
4. W. Tillmann, A. Fehr, D. Stangier: Microstructural and tribological properties of sputtered AlCrSiWN films deposited with segmented powder metallurgic target materials. Thin Solid Films 687 (2019), 137465. doi: https://doi.org/10.1016/j.tsf.2019.137465
5. W. Tillmann, A. Fehr, M. Heringhaus: Influence of the W-particle size on the densification and diffusion behaviour of CrSiW. Powder Metallurgy Review 8, (2019), 75-78.
6. W. Tillmann, A. Fehr, D. Stangier: Powder metallurgic fabricated plug targets for the synthesis of AlCrSiWN multicomponent coating systems. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials 85 (2019), 105081. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2019.105081
7. W. Tillmann, A. Fehr, M. Heringhaus: Mechanical milling to foster the solid solution formation and densification in Cr-W-Si for hot-pressing of PVD target materials. Advanced Powder Technology 32 (2021), 1927-1934. doi: https://doi.org/10.1016/j.apt.2021.04.001
8. W. Tillmann, A. Fehr, D. Stangier: Impact of Tungsten Incorporation on the Tribomechanical Behavior of AlCrW_xSiN Films at Room and Elevated Temperature. Coatings 11 (2021), 1033. doi: https://doi.org/10.3390/coatings11091033

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