AlCrVYON-Dünnschichten mit verbesserten tribo-mechanischen Eigenschaften im Hochtemperaturbereich

Durch die Zugabe von Modifikationselementen lassen sich die Eigenschaften von AlCrN-basierten Dünnschichten gezielt verbessern. Eine Untersuchungsreihe im Rahmen des DFG-geförderten Projekts „Grundlagenuntersuchungen zur pre-prozess- und in-operando Oxidation triboaktiver Hartstoffschichten“ ermöglichtein tieferes Verständnis der Modifikationsmechanismen dieser Elemente ermöglichen. Durch die gezielte Elementmodifikation des AlCrN-Basissystems mit Yttrium (Y), Vanadium (V) und Sauerstoff (O) sollen nicht nur die hohe Härte und Verschleißbeständigkeit erhalten bleiben, sondern auch reibungsmindernde Effekte durch die Bildung von sogenannten Magnéli-Phasen realisiert werden. Diese reibungsreduzierenden Phasen, wurden in AlCrVN-Schichten bereits im Hochtemperaturbereich ab 500 °C nachgewiesen. Im Fokus stehen die Untersuchung der Mikrostruktur, der chemischen Zusammensetzung sowie der Oxidationsbeständigkeit und deren Einfluss auf das Reibungsverhalten, um die Schichten für anspruchsvolle industrielle Anwendungen zu erforschen.

Im Rahmen dieses Projektes wurde der Einfluss des O₂-Gasflusses sowie der Targetkonfiguration auf die chemischen, strukturellen und tribo-mechanischen Eigenschaften der Dünnschichten untersucht. Es wurden hierzu zwei verschiedene Targetkonfigurationen gewählt, während in der einen zwei AlCrVY-Targets verwendet wurden, wurde in der anderen Konfiguration ein AlCrY-Target mit einem V‑Target kombiniert. Es konnte gezeigt werden, dass hierbei die Targetvergiftung stark von der jeweiligen Targetkonfiguration abhängt, was zu deutlichen strukturellen Unterschieden in den Schichten führt. Insbesondere ermöglicht die Kombination eines hybriden dcMS/HiPIMS-Verfahrens mit der O-Zugabe eine Erzeugung von nanostrukturierten Schichten. Diese Nanostrukturen bestehen aus abwechselnden Schichten mit unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen und verschiedenen Anteilen an amorphen und kristallinen Phasen.

Die Ergebnisse zeigen, dass geringe Mengen an O eine positive Wirkung auf die mechanischen Eigenschaften der Schichten haben. Insbesondere wurde eine hohe Härte erreicht, während das Verhältnis H³/E² mit zunehmendem O-Gehalt bis zu einem Anteil von 11,9 bzw. 14,7 At.‑% anstieg. Dies zeigt, dass durch die gezielte Steuerung des O-Gehalts nicht nur die Härte, sondern auch die Widerstandsfähigkeit der Schichten gegen plastische Verformung verbessert werden kann. Der genaue Grenzwert ist hierbei abhängig von der gewählten Targetkonfiguration.

Eine umfassende Diskussion der erzielten Erkenntnisse wurden in der Special Issue „50th International Conference on Metallurgical Coatings and Thin Films (ICMCTF 2024)” des Journals „Surface and Coatings Technology” veröffentlicht und steht unter folgendem Link zur verfügung: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2025.131736