Quinäre TiSiBCN-Dünnschichten für Hochtemperaturanwendung
Um den steigenden Anforderungen in der Warmmassivumformung zu begegnen, zielt das von der DFG geförderte Projekt „Grundlagenuntersuchung zur temperaturabhängigen Selbstorganisation von PACVD und PVD-TiSiBCN-Dünnschichten“ in Kooperation mit dem IOT der TU Braunschweig darauf ab, neuartige TiSiBCN-Mehrphasenbeschichtungen zu entwickeln. Diese vereinen u.a. die Verschleißbeständigkeit von TiCN, die chemische Stabilität und Härte von TiB₂ sowie die Oxidationsbeständigkeit von TiSiN. Aufgrund der chemischen Komplexität des Systems entstehen je nach Phasenzusammensetzung unterschiedliche Eigenschaftsprofile. Um die Schichten optimal für Hochtemperaturanwendungen abzustimmen, ist es entscheidend, die zugrundeliegenden Mechanismen der Nanostrukturausbildung sowie die Wechselwirkungen zwischen Chemie und Anwendungseigenschaften systematisch zu untersuchen und zu verstehen.
Nun wurde im Rahmen dieses Kooperationsprojektes der Einfluss der chemischen Zusammensetzung auf die Eigenschaften von kathodenzerstäubten TiSiBCN-Dünnschichten umfassend analysiert. Mithilfe der statistischen Versuchsplanung – Design of Experiments (DoE) – wurden die N₂- und C₂H₂-Gasflussraten sowie die Kathodenleistung von TiB₂/TiSi₂ Targets gezielt variiert, um die Auswirkungen auf die strukturellen und tribo-mechanischen Eigenschaften der Schichten zu untersuchen. Der DoE-Ansatz ist entscheidend, um die komplexen Wechselwirkungen zwischen Prozessparametern bzw. Chemie und den resultierenden Eigenschaften von TiSiBCN-Dünnschichten systematisch zu untersuchen und ermöglicht so eine ganzheitliche Analyse von Korrelationen.
Letztendlich beeinflusst die chemische Zusammensetzung die Bildung von kristallinen Phasen wie Ti(N,C) und TiB, die wiederum entscheidend für die mechanischen Eigenschaften sind wie z.B. Härten bis zu 39,7 GPa. Mittels DoE ist es möglich diese Eigenschaften präzise vorherzusagen. Zusätzlich dient das chemische Verhältnis (C+N+Si)/(Ti+B) als hilfreicher Indikator und erlaubt eine vereinfachte Vorraussage der Schichteigenschaften.
Die vollständigen Zusammenhänge und Ergebnisse zur statistischen Untersuchung der TiSiBCN-Dünnschichten wurden in der Special Issue „50th International Conference on Metallurgical Coatings and Thin Films (ICMCTF 2024)” der Fachzeitschrift „Surface and Coatings Technology” veröffentlicht.
Die Veröffentlichung steht unter folgendem Link zur Verfügung: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2024.131643
Verfasst von Julia Urbanczyk, 19.12.2024