TY - THES A1 - Schroeter, Olaf T1 - Herstellung und Charakterisierung von PVD-Schichten auf Basis der Cr2AlC-MAX-Phase T1 - Fabrication and characterisation of PVD coatings on the base of Cr2AlC max phase N2 - Eine wichtige Aufgabe der Werkstoffwissenschaft ist die Verbesserung von Materialeigenschaften. Besonders bei Hochleistungsmaterialien, die extremen Belastungen ausgesetzt sind, finden kontinuierlich Weiterentwicklungen statt. Dabei ist es von wirtschaftlichem Interesse, die Lebensdauer von Bauteilen durch hochwertige Beschichtungen zu verlängern und damit Kosten zu sparen. Dünne Schichten eignen sich besonders gut, da sie durch ihre speziellen Eigenschaften die Eigenschaften des Grundmaterials an der Oberfläche ergänzen und es so gegen äußere Einflüsse, wie Verschleiß, Korrosion oder Oxidation, schützen. Die vorliegende Arbeit widmet sich daher nanostrukturierten Cr2AlC-Dünnschichten und der Verbesserung ihrer Eigenschaften. Diese Schichten werden durch verschiedene Sputterverfahren hergestellt. Die beiden Herstellungsverfahren Gleichstrom-Magnetronsputtern und High Power Impulse Magnetron Sputtering (HIPIMS) werden im Rahmen dieser Arbeit verglichen. Homogene Schichten wurden durch ein gesintertes Cr2AlC-Target auf Substrate der Nickelbasislegierung IN718 aufgetragen. Dabei wurde der Einfluss der Prozessparameter Kammerdruck, Substrattemperatur und BIAS-Spannung auf das Plasma, die Schichtentwicklung und den daraus resultierenden mechanischen Eigenschaften der erzeugten Schichten untersucht. Um zu zeigen, dass die Ergebnisse außerhalb des Forschungskontextes reproduzierbar sind, wurde eine Beschichtungsanlage industriellen Maßstabes verwendet. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass durch das HIPIMS-Verfahren, im Vergleich zum Gleichstrom-Magnetronsputtern, der Metallionenanteil auf etwa 70 % erhöht und die Ionenenergien erheblich gesteigert werden. Dies führt zu Änderungen von Schichtmorphologie und Schichteigenschaften. Beide Sputterverfahren eignen sich generell zur Herstellung von Cr2AlC-Schichten in einer industriellen Beschichtungsanlage. Durch Variation der Herstellungsparameter lassen sich unterschiedliche Gefüge, Eigenspannungszustände und Texturen einstellen. Dadurch werden Haftfestigkeit und Erosionsbeständigkeit der Schicht erheblich verbessert. N2 - In materials science the enhancement of materials properties is an important task. Their continuous improvement is needed, especially for high-performance materials that are subjected to extreme loads. Coatings are very suitable to advance the properties of the bulk material at the surface to protect the substrate against damage caused by wear, corrosion or oxidation. Economic concerns, such as increasing a components’ life-time and cost savings can be addressed by applying high quality protective coatings on those materials. Due to the proven good mechanical and chemical properties of sintered Cr2AlC bulk material this work focuses on nanostructured Cr2AlC coatings. Different methods to sputter the coatings are feasible. This work compares the methods of direct current magnetron sputtering (dcms) and high power impulse magnetron sputtering (hipims) to each other. In the experimental set-up, homogeneous coatings, produced by a sintered Cr2AlC target, are deposited on substrates. As substrate IN718 is chosen because it is a high-temperature resistant nickel base alloy, that is widely used in industry, e.g., for air-plane turbines. Thereby the effects of various process parameters are characterized. The analyzed parameters are pressure, substrate temperature and BIAS-voltage. Their influence on plasma, the coatings development and hence the resulting mechanical properties of the produced coatings are determined. An industrial scale coating machine is used to show the applicability and scalability of the research results in production environments. The experimental results show, that the ion energy distributions are raised significantly by using hipims and the metal ion content is increased up to 70 % compared to the dcms method. This leads to changes in the coating morphology and in the coating’s properties. Both sputtering methods are generally applicable for the production of Cr2AlC coatings in an industrial scale coating machine. In addition, by varying the process parameters, different microstructures, residual stresses and textures are adjustable. That leads to enhanced adhesion and erosion resistance of the produced coatings. KW - Dünne Schicht KW - Chrom KW - Aluminium KW - Kohlenstoff KW - PVD KW - HIPIMS KW - Beschichtungstechnik KW - MAX-Phase KW - Erosion KW - PVD KW - HPPMS KW - Coatings KW - Max phase KW - Erosion Y1 - 2011 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-22622 ER - TY - JOUR A1 - Çelik, Gülşah Aktaş A1 - Atapek, Şaban Hakan A1 - Polat, Şeyda A1 - Obrosov, Aleksei A1 - Weiß, Sabine T1 - Nitriding effect on the tribological performance of CrN-, AlTiN-, and CrN/AlTiN-Coated DIN 1.2367 hot work tool steel T1 - Auswirkung des Nitrierens auf das tribologische Verhalten von CrN-, AlTiN- und CrN/AlTiN-beschichteten DIN 1.2367 Warmarbeitsstählen N2 - In this study, heat-treated and multisurface engineered DIN 1.2367 tool steel was subjected to room and elevated temperature wear tests, and the effect of nitriding on its tribological behavior was investigated. CrN, AlTiN, and CrN/AlTiN coatings with a total thickness of 2 µm were obtained by arc cathodic physical vapor deposition on conventional heat-treated and gas-nitrided steels. The white layer formed during nitriding was removed, and a diffusion layer (100 µm) was achieved in the cross section of the steel having a tempered martensitic matrix. The highest surface hardness was attained with an integral coating (CrN/AlTiN), and surface hardness increased even more after nitriding due to the formation of a multicomponent ceramic layer on top of the diffusion layer. The room temperature wear tests performed against an alumina counterpart revealed that (i) CrN/AlTiN-coated steel had the highest friction coefficient of 0.26, which further increased to 0.33 by nitriding due to the increase in shear strength, and that (ii) with increasing surface hardness, the specific wear rates (W) of the heat-treated and coated steels could be ranked as follows: WCrN/AlTiN < WAlTiN < WCrN. The wear rates decreased when nitriding was carried out prior to coating. In order to simulate the aluminum extrusion conditions, hot wear behavior of the surfaces against AA6080 alloy at 450 °C was investigated. The hot wear tests revealed that (i) high friction coefficients were reached due to the adhesive characteristic of aluminum to the surfaces, (ii) the nitrided and CrN/AlTiN-coated sample exhibited the lowest wear rate among all studied surfaces, and (iii) the film damage on the worn surfaces mostly occurred in the form of droplet delamination. N2 - In dieser Studie wurde wärmebehandelter und mehrschichtig bearbeiteter Werkzeugstahl DIN 1.2367 bei Raum- und erhöhter Temperatur Verschleißtests sowie der Einfluss des Nitrierens auf sein tribologisches Verhalten untersucht. Auf konventionell wärmebehandelten und gasnitrierten Stählen wurden CrN-, AlTiN- und CrN/AlTiN-Schichten mit einer Gesamtdicke von 2 µm durch kathodische Gasphasenabscheidung erzeugt. Die beim Nitrieren gebildete weiße Schicht wurde entfernt, und es wurde eine Diffusionsschicht (100 µm) im Querschnitt des Stahls mit angelassener martensitischer Matrix erzeugt. Die höchste Oberflächenhärte wurde mit einer integralen Beschichtung (CrN/AlTiN) erreicht, die nach dem Nitrieren aufgrund der Bildung einer Mehrkomponenten-Keramikschicht auf der Diffusionsschicht noch weiter anstieg. Die bei Raumtemperatur durchgeführten Verschleißtests mit einem Aluminiumoxid-Gegenstück ergaben, dass (i) CrN/AlTiN-beschichteter Stahl den höchsten Reibungskoeffizienten von 0,26 aufwies, der sich nach dem Nitrieren aufgrund der erhöhten Scherfestigkeit auf 0,33 erhöhte, (ii) mit zunehmender Oberflächenhärte die spezifischen Verschleißraten (W) der wärmebehandelten und beschichteten Stähle wie folgt eingestuft werden konnten: WCrN/AlTiN65 %. Die sehr hohen Umformtemperaturen und die Affinität zu Sauerstoff machen eine Schutzgasatmosphäre bzw. Vakuum während der Umformung unabdingbar. Aufbauend auf dem feinkörnigen Gefüge nach Umformung lässt sich das Gefüge durch gezieltes Wärmebehandeln hinsichtlich Phasenaufteilung und Gefügeaufbau in gewissen Grenzen den Erfordernissen anpassen. Als ideale Wärmebehandlungsparameter erwiesen sich ein Lösungsglühen bei 1270 °C für eine Stunde mit Luftabkühlung und anschließendes Auslagern bei 800 °C für sechs Stunden mit Ofenabkühlung. Anhand einer Bauteilschmiedung wurde gezeigt, dass das im Labormaßstab entwickelte Prozessfenster auch auf große Bauteile übertragen werden kann. Dies gilt allerdings nicht für die Wärmebehandlung, da die chemische Zusammensetzung der geschmiedeten Bauteile zu stark von den zuvor untersuchten Proben abwich. Um über mehrere Chargen hinweg die gleichen Eigenschaften gewährleisten zu können, müssen daher die Parameter individuell angepasst werden. N2 - To get the full potential out of TiAl alloys a homogeneous and fine grained microstructure is necessary. A forging step seems to be ideal because combines the generation of a fine grained microstructure by recrystallization with the forming of the blank. Through the stabilization of β-Phase the possibility exists to use conventional hot working procedures. That is sufficient to lower the production costs of parts in an industrial scale. With that background three β-stabilized alloys were chosen and their mechanical properties and deformation behaviour compared with the TNB-V2 alloy, an alloy out of the previous generation TiAl alloys. Ti-44,5Al-6,25Nb-0,8Mo-0,1B later named by TNB-V4 delivered the best relationship of properties. Since the hot working conditions have to be adapted for every TiAl alloy the conditions for TNB-V4 where determined in this work. That means that forging has to be conducted in the temperature range of 1210 - 1290 °C with a strain rate below < 5∙10^(-3) s^(-1) up to a strain of φ>65 % to achieve a more or less homogenous and fine grained microstructure. To prevent oxidation and embrittlement an inert gas atmosphere or vacuum is necessary. To fulfil the requirements on the mechanical properties the achieved fine grained microstructure can be optimized by a final heat treatment. The two step heat treatment consists of a solution annealing step at 1270 °C for one hour followed by air cooling and aging at 800 °C for 6 hours followed by furnace cooling. Finally the designed processing window and heat treatment was applied on an industrial scale forging. The gathered results showed that the processing window can be used to forge large parts. While the sensitivity on chemical composition for the forging step is low the heat treatment can’t be easily applied without exact knowledge of the chemical composition. To get almost the same mechanical properties out of different charges of parts it is necessary to adapt the parameters of the heat treatment on the individual chemical composition every charge. KW - Umformung KW - Titanaluminide KW - TNB-V4 KW - Kriechen KW - Mechanische Eigenschaften KW - Mechanical properties KW - Creep KW - TNB-V4 KW - Titaniumaluminides KW - Deformation KW - Titanaluminide KW - Kriechen KW - Umformen Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-35444 ER - TY - JOUR A1 - Dikra, Bouras A1 - Fellah, Mamoun A1 - Barille, Regis A1 - Weiß, Sabine A1 - Samad, Mohammed Abdul A1 - Alburaikan, Alhanouf A1 - Khalifa, Hamiden Abd El-Wahed A1 - Obrosov, Aleksei T1 - Improvement of photocatalytic performance and sensitive ultraviolet photodetectors using AC-ZnO/ZC-Ag2O/AZ-CuO multilayers nanocomposite prepared by spin coating method T1 - Verbesserung der photokatalytischen Leistung empfindlicher Ultraviolett-Photodetektoren unter Verwendung von AC-ZnO/ZC-Ag2O/AZ-CuO-Multilayer-Nanokompositen abgeschieden durch Rotationsbeschichtung JF - Journal of science: advanced materials and devices N2 - Morphological and optical properties of a multilayer film (CAZO/CZAO/ZACO) prepared by spin-coating method and deposited on a glass substrate were evaluated. The study was initially carried out for each layer, individually and then as a multilayer subsequently. Structural properties using X-ray diffraction (XRD), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS), infrared spectra (IR) and X-ray photoelectron Spectroscopy (XPS) showed the presence of three phases of zinc, copper and silver oxides at different levels. The CZAO sample observed with scanning electron microscope (SEM) showed an excellent porous surface with a large deformation in the multilayer configuration. Doping with zinc and copper in the silver crystal lattice improved the crystal structure and reduced the optical energy gap, thus increasing the optical absorbance and refractive index. The dielectric constants and showed an increase in the optical polarization values for lower photonic energies. The maximum degradation rate for photocatalysts of methylene blue was 89 % for a 5-h exposure period with CAZO/CZAO/ZACO while it reached 71 % for the CZAO sample during the same time period. The sensitivity of samples to light proved that the presence of ultraviolet radiation increases the number of holes trapped by oxygen ions and causes more free electrons and contribute to a better production of photocurrent than in darkness. N2 - Die morphologischen und optischen Eigenschaften eines mehrlagigen Films (CAZO/CZAO/ZACO), der im Rotationsbeschichtungsverfahren hergestellt und auf ein Glas-Substrat aufgebracht wurde, wurden bewertet. Die Studie wurde zunächst für jede Schicht einzeln und anschließend als Multilagenbeschichtung durchgeführt. Die strukturellen Eigenschaften mittels Röntgenbeugung (XRD), energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDS), Infrarotspektren (IR) und Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) zeigten das Vorhandensein von drei Phasen aus Zink-, Kupfer- und Silberoxiden auf verschiedenen Ebenen. Die mit dem Rasterelektronenmikroskop (REM) untersuchte CZAO-Probe zeigte eine ausgezeichnete poröse Oberfläche mit einer großen Verformung in der Multischichtkonfiguration. Die Dotierung des Silberkristallgitters mit Zink und Kupfer verbesserte die Kristallstruktur und verringerte die optische Energielücke, wodurch sich die optische Absorption und der Refraktionsindex erhöhten. Die Dielektrizitätskonstanten und die optischen Polarisationswerte stiegen bei niedrigeren Photonenergien an. Die maximale Abbaugeschwindigkeit der Photokatalysatoren für Methylenblau betrug 89 % bei einer 5-stündigen Belichtungszeit mit CAZO/CZAO/ZACO, während sie bei der CZAO-Probe im gleichen Zeitraum 71 % erreichte. Die Lichtempfindlichkeit der Proben beweist, dass das Vorhandensein von ultravioletter Strahlung die Anzahl der von Sauerstoffionen eingefangenen Löcher erhöht und mehr freie Elektronen verursacht, die zu einer besseren Produktion von Photostrom beitragen als bei Dunkelheit. KW - Multilayer CAZO/CZAO/ZACO KW - Photocatalysis KW - Photodetector KW - Nanostructures KW - Nanocomposites KW - Multilagenbeschichtung CAZO/CZAO/ZACO KW - Rotationsbeschichtung KW - Photokatalyse KW - Nanostrukturen KW - Nanokompositen KW - Nanokomposit KW - Mehrschichtsystem KW - Beschichtung KW - Fotokatalyse KW - Photodetektor Y1 - 2023 U6 - https://doi.org/10.1016/j.jsamd.2023.100642 SN - 2468-2179 VL - 9 IS - 1 PB - Elsevier CY - Amsterdam ER - TY - JOUR A1 - Obrosov, Aleksei A1 - Fallah, Mamoun A1 - Hezil, Naouel A1 - Bouras, Dikra A1 - Bouchareb, Nabila A1 - Perez Larios, Alejandro A1 - El-Hiti, Gamal A. A1 - Weiß, Sabine T1 - Investigating the effect of Zr content on electrochemical and tribological properties of newly developed near β-type Ti-alloys (Ti–25Nb-xZr) for biomedical applications T1 - Untersuchung der Auswirkung des Zr-Gehalts auf die elektrochemischen und tribologischen Eigenschaften neu entwickelter β-naher Ti-Legierungen (Ti-25Nb-xZr) für biomedizinische Anwendungen JF - Journal of Science: Advanced Materials and Devices N2 - In order to create alloys with exceptional properties for orthopedic uses, this study focuses on the impact of zirconium (Zr) content on the structural, electrochemical, and tribological qualities of nanostructured Ti–25NbxZr [x = 5, 10, 15, 20, 25, and 30 atomic (at.) %] alloys. The structural evolution was investigated using XRD and SEM techniques. The mechanical characteristics of the produced alloys, including Vickers hardness and Young’s modulus, were measured. In addition, the corrosion tests were performed using the OCP, EIS, and PD methods in Ringer’s solution within the independent pH range at 37°C. A ball-on-disc tribometer was used to investigate the tribological behavior of the alloys under various loads and wet conditions using the Ringer solution. It has been verified that Zr content (at. %) in the alloys had an impact on their morphologies, structural evolution, and mechanical characteristics. According to the morphological analysis, the particle and crystallite size decreases with increasing Zr content. Young’s modulus and Vickers hardness show the same tendency. The EIS data demonstrated that a single passive film formed on the alloy surfaces, and the addition of Zr enhanced the corrosion resistance of the passive films. The polarization curves demonstrate that the alloys had low corrosion current densities and large passive areas without the passive films disintegrating. Likewise, the inclusion of Zr resulted in a reduction in the corrosion and passive current density values. All of these results suggested that the titanium alloys exhibit a more noble electrochemical activity caused by Zr. From the tribological perspective, it was found that the friction coefficient of the alloys reduced with increasing Zr content. N2 - Um Legierungen mit außergewöhnlichen Eigenschaften für orthopädische Anwendungen zu schaffen, konzentriert sich diese Studie auf die Auswirkungen des Zirkonium (Zr)-Gehalts auf die strukturellen, elektrochemischen und tribologischen Eigenschaften von nanostrukturierten Ti-25NbxZr [x = 5, 10, 15, 20, 25 und 30 Atom-(at.) %] Legierungen. Die strukturelle Entwicklung wurde mit XRD- und SEM-Techniken untersucht. Die mechanischen Eigenschaften der hergestellten Legierungen, einschließlich der Vickershärte und des Elastizitätsmoduls, wurden gemessen. Darüber hinaus wurden die Korrosionstests mit den Methoden OCP, EIS und PD in Ringerlösung im unabhängigen pH-Bereich bei 37°C durchgeführt. Mit einem Kugel-Scheiben-Tribometer wurde das tribologische Verhalten der Legierungen unter verschiedenen Belastungen und nassen Bedingungen in Ringerlösung untersucht. Es wurde nachgewiesen, dass der Zr-Gehalt (in %) in den Legierungen einen Einfluss auf ihre Morphologie, strukturelle Entwicklung und mechanischen Eigenschaften hat. Die morphologische Analyse ergab, dass die Partikel- und Kristallitgröße mit zunehmendem Zr-Gehalt abnimmt. Elastizitätsmodul und Vickershärte zeigen die gleiche Tendenz. Die EIS-Daten zeigten, dass sich auf den Legierungsoberflächen ein einziger Passivfilm bildete, und der Zusatz von Zr erhöhte die Korrosionsbeständigkeit der Passivfilme. Die Polarisationskurven zeigen, dass die Legierungen niedrige Korrosionsstromdichten und große passive Flächen aufwiesen, ohne dass sich die Passivfilme auflösten. Ebenso führte der Zusatz von Zr zu einer Verringerung der Korrosions- und Passivstromdichtewerte. Alle diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Titanlegierungen eine edlere elektrochemische Aktivität aufweisen, die durch Zr verursacht wird. Aus tribologischer Sicht wurde festgestellt, dass der Reibungskoeffizient der Legierungen mit zunehmendem Zr-Gehalt abnahm. KW - Ti-Nb-Zr alloys KW - Nanobiomaterials KW - Tribological behavior KW - Ringer's solution KW - Biomedical applications KW - Ti-Nb-Zr-Legierungen KW - Nanowerkstoffe KW - Tribologisches Verhalten KW - Ringerlösung KW - Biomedizinische Anwendungen KW - Biomedizin KW - Nanostrukturiertes Material KW - Titanlegierung KW - Zirconium Y1 - 2024 U6 - https://doi.org/10.1016/j.jsamd.2024.100695 SN - 2468-2179 VL - 9 IS - 2 PB - Elsevier CY - Amsterdam ER -