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Fakultät Maschinenbau

Tribo-aktive Hartstoffschichten für Hochtemperaturanwendungen

AICrVYN-Probe © LWT

Entwicklung von AlCrVYN-Dünnschichten mittels hybrider dcMS/HiPIMS-Prozessführung

In einer interdisziplinären Kooperation zwischen dem Lehrstuhl für Werkstofftechnologie und dem Zentrum für Synchrotronstrahlung (Dortmunder Elektronenspeicherringanlage, DELTA) der Fakultät Physik arbeiten die Wissenschaftler*innen an der Entwicklung innovativer AlCrN-basierter Dünnschichten für tribologische Hochtemperaturanwendungen. Die ternären AlCrN-Dünnschichten stellen etablierte Dünnschichtsysteme für die Werkzeugbeschichtung dar und sind bereits umfassend erforscht worden. Das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderte Forschungsprojekt „Grundlagenuntersuchungen zur pre-prozess und in-operando Oxidation tribo-aktiver Hartstoffschichten“ zielt darauf ab die Schichteigenschaften von AlCrN-Dünnschichten durch Hinzugabe der Modifikationselemente V und Y für die Hochtemperatur weiter zu verbessern. Im reaktiven Zerstäubungsprozess soll zudem die Abscheidung O-haltiger AlCrVYN-Dünnschichten erfolgen. Durch eine kontrollierte Prozessführung sollen sogenannte Magnéli-Phasen V2nO5n−1 mit reibmindernden Eigenschaften erzeugt werden. Die Zusammenarbeit zwischen den beiden Forschungseinrichtungen soll dabei ein umfangreiches Verständnis der Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen dieser neuartigen Schichtsysteme schaffen.

In ersten Untersuchungen wurde der Einfluss des Beschichtungsprozesses auf AlCrN- sowie AlCrVYN-Dünnschichten analysiert. Es wurde eine hybride dcMS/HiPIMS-Prozessführung als Ansatz gewählt, wodurch Schichten mit Härten von bis zu 30 GPa erzeugt wurden. Durch die Kombination der kontinuierlichen dcMS-Variante mit dem höherenergetischen HiPIMS-Verfahren konnten die Vorteile der jeweiligen Technologien ausgenutzt werden. So zeigten die Schichten eine feinkörnige und dichte Struktur, woraus die hohe Härte resultierte, während zusätzlich die Abscheiderate gesteigert werden konnte.

REM-Aufnahmen der Topographie der AlCrN- und AlCrVYN-Dünnschichten, die mittels dcMS-, HiPIMS- und dcMS/HiPIMS-Verfahren abgeschieden wurden (Elsevier, CC BY 4.0 DEED) © LWT
REM-Aufnahmen der Topographie der AlCrN- und AlCrVYN-Dünnschichten, die mittels dcMS-, HiPIMS- und dcMS/HiPIMS-Verfahren abgeschieden wurden (Elsevier, CC BY 4.0 DEED)

Die Ergebnisse zur AlCrVYN-Schichtentwicklung durch den Einsatz der dcMS-, HiPIMS- und dcMS/HiPIMS-Verfahren wurden im Special Issue „Hybrid Coatings and Nanocomposite Films“ des Open-Access-Journals „Hybrid Advances“ veröffentlicht. Der vollständige Beitrag steht unter folgendem Link zur Verfügung: https://doi.org/10.1016/j.hybadv.2023.100120

Verfasst von Finn Ontrup, 20.12.2023