Herstellung und Charakterisierung von PVD-Schichten auf Basis der Cr2AlC-MAX-Phase

Fabrication and characterisation of PVD coatings on the base of Cr2AlC max phase

  • 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 derEine 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.show moreshow less
  • 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 aIn 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.show moreshow less

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Metadaten
Author: Schroeter, Olaf
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus-22622
Referee / Advisor:Prof. Dr.-Ing. Leyens, Christoph
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2011
Date of final exam:2011/07/14
Release Date:2011/09/27
Tag:Beschichtungstechnik; Erosion; HIPIMS; MAX-Phase; PVD
Coatings; Erosion; HPPMS; Max phase; PVD
GND Keyword:Aluminium; Chrom; Dünne Schicht; Kohlenstoff
Institutes:Fakultät 3 Maschinenbau, Elektro- und Energiesysteme / FG Metallkunde und Werkstofftechnik
Institution name at the time of publication:Fakultät für Maschinenbau, Elektrotechnik und Wirtschaftsingenieurwesen (eBTU) / LS Metallkunde und Werkstofftechnik