Oxidationsverhalten, Phasenstabilität und temperaturabhängiges Reibverhalten von Übergangsmetallnitrid-Dünnschichten

Das übergeordnete Ziel des beantragten Forschungsvorhabens ist ein grundlegendes Verständnis des Einflusses von Silizium und Molybdän auf das Oxidationsverhalten, die Phasenstabilität und das temperaturabhängige Reibverhalten von Übergangsmetallnitrid-Dünnschichten. Dabei soll die Wechselwirkung zwischen der chemischen Zusammensetzung, der Struktur der tribo-mechanischen Eigenschaften beleuchtet werden, um anschließend eine Analyse der temperaturinitiierten Änderungen des Eigenschaftsprofils der Cr_(1-x-y)Mo_xSi_yN- und Ti_(1-x-y)Mo_xSi_yN-Dünnschichten vornehmen zu können (siehe Abbildung). Aufgrund der unterschiedlichen thermischen Beständigkeit der bei der Oxidation entstehenden Chrom- und Titanoxide, kann ein phasentemperaturspezifisches Eigenschaftsprofil erstellt werden. Dazu werden beide Schichtsysteme, Cr_(1-x-y)Mo_xSi_yN am Lehrstuhl für Werkstofftechnologie der TU Dortmund und Ti_{(1- x- y)}Mo_xSi_yN am Research Center CIDEMAT der Universidad de Antioquia, unter systematischer Variation des Silizium- bzw. Molybdängehalts synthetisiert. Anschließend wird die Mikrostruktur, insbesondere die Bildung einer Nanokompositstruktur, in Abhängigkeit der chemischen Zusammensetzung der Schichtsysteme untersucht. Dabei wird ein grundlegendes Verständnis zur Struktur-Eigenschaftsbeziehung in Abhängigkeit des elementabhängigen amorphen/kristallinen Phasenverhältnisses sowie der Kristallstruktur und Kristallitgröße erarbeitet. Durch den Einsatz von Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) können die Dünnschichten hinsichtlich der Bildung einer Nanokompositstruktur untersucht werden, während mittels Röntgendiffraktion (XRD) und Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) die gebildeten kristallinen Phasen und Bindungsstrukturen bestimmt werden können und somit zur vollständigen Charakterisierung der Schichtsysteme in Abhängigkeit der chemischen Zusammensetzung beitragen. Dies wiederum ermöglicht eine Korrelation zwischen den strukturellen und den mechanischen Eigenschaften der Schichtsysteme. Aufbauend auf den Ergebnissen wird systematisch der Einfluss der Temperatur auf die Schichtsysteme in Abhängigkeit der Struktur sowie der Eigenschaften untersucht. Mittels Auslagerungsversuchen und Röntgen-Nahkanten-Absorptions-Spektroskopie (XANES) wird eine detaillierte Betrachtung von temperaturinitiierten Rekristallisations und Diffusionsprozesses sowie Phasentransformationen vorgenommen. Durch Auslagerungsversuche in Atmosphäre und in Vakuum können element- bzw. phasenspezifische Mechanismen grundlegend verstanden werden. Neben den thermisch-strukturellen Änderungen werden Tribometer-Untersuchungen bei hohen Temperaturen vorgenommen. Dabei werden insbesondere die gebildeten Oxide im Hinblick auf die Bildung von reibmindernden Magnèli-Phasen mittels Röntgendiffraktion untersucht, mit den Reib- und Verschleißeigenschaften in Verbindung gesetzt und deren thermische Stabilität evaluiert.

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