Einfluss der Herstellungsroute des Kathodenmaterials für die Arc-TiAlN-Schichtsynthese

Um ein tieferes Verständnis der Einflussparameter auf die Eigenschaften von TiAlN-Dünnschichten zu gewinnen, wurde im Rahmen des aktuell laufenden SPP-Projekts „Greybox-Modellierungen zum Einlaufverhalten beschichteter Werkzeuge im Fräsprozess als dynamisches Lastkollektiv auf Basis von Operando-, In- und Ex-Situ-Analysen“ die Auswirkungen verschiedener Herstellungsrouten für TiAl-Kathoden auf die Mikrostruktur und tribo-mechanischen Eigenschaften der abgeschiedenen Dünnschichten untersucht. Dabei wurde das TiAl-Kathodenmaterial mit identischer Zusammensetzung entweder pulvermetallurgisch (PM) oder schmelzmetallurgisch (SM) hergestellt, welches sich in der Mikrostruktur des Materials zeigt (siehe Abbildung 1). Die verschiedenen Targetmaterialien wurden für die kathodische Lichtbogenverdampfung (engl. cathodic arc evaporation) in einer reaktiven N₂-Atmosphäre für die Synthese der TiAlN-Dünnschichten genutzt.

Unsere Untersuchungen zeigen deutliche Unterschiede in der Mikrostruktur und Phasenzusammensetzung der Kathodenmaterialien. Während die SM-Kathode ein homogeneres Gefüge mit intermetallischen AlTi-Phasen aufweist, bestehen die PM-Kathoden aus separaten Al- und Ti-Phasen mit unterschiedlicher Größenverteilung, die sich zwischen den beiden PM-Varianten unterscheidet. Zusätzlich wurde der Reaktivgasdruck während der Abscheidung variiert, um dessen Einfluss in Wechselwirkung mit den Kathodenmaterialien auf die Schichteigenschaften zu analysieren.

Die Ergebnisse zeigen, dass das Herstellungsverfahren der Kathode einen direkten Einfluss auf die Dropletdichte und damit auf die Oberflächenrauheit der abgeschiedenen Dünnschichten hat (siehe Abbildung 2). SM-Kathoden führen zu einer gleichmäßigeren Erosion, was eine reduzierte Dropletdichte zur Folge hat, während PM-Kathoden eine bevorzugte Erosion von Aluminium zeigen. Darüber hinaus beeinflusst der Prozessdruck die Eigenspannungen in den Dünnschichten, was anhand von Raman-Streuungsexperimenten nachgewiesen wurde. Mit steigendem Prozessdruck erhöht sich die Druckeigenspannung der Schichten. Darüber hinaus zeigten weder das Kathodenmaterial noch der Prozessdruck einen signifikanten Einfluss auf die chemische Zusammensetzung oder die tribo-mechanischen Eigenschaften der Schichten.

Eine umfassende Vorstellung 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.2025.131815