Untersuchung der tribo-mechanischen Eigenschaften von TiAlSiN- und CrAlSiN-Nanokompositschichten unter Hochtemperatureinfluss

PVD-Beschichtungen stellen seit vielen Jahren ein geeignetes Konzept zur Funktionalisierung von Oberflächen günstiger Substratmaterialen dar und ermöglichen eine Erhöhung der Leistungsfähigkeit und Standzeit von Bauteilen, ohne kostenintensive Massivbauteile aus Spezialwerkstoffen zu verwenden. Bislang finden mittels Dünnschichttechnologie beschichtete Werkzeuge häufig Verwendung in der Zerspanungs- und Kaltumformtechnik, wobei diese Schichtsysteme keine ausreichende Verschleißbeständigkeit und verminderte mechanische Eigenschaften bei erhöhten Einsatz- und Betriebstemperaturen bieten. Mit Hilfe der Nanokompositschichtsysteme, die im Rahmen des beantragten Forschungsvorhabens entwickelt werden, wird versucht, die bestehenden Temperatureinschränkungen durch Legierung von ternären Schichtsystemen (CrAlN und TiAlN) mit Silizium zu erweitern sowie thermisch- bzw. oxidationsbeständige PVD-Schichten zu synthetisieren. Aus diesem Grund soll der Einfluss unterschiedlicher Prozessparameter und PVD-Verfahren auf TiAlSiN- und CrAlSiN-Schichtsysteme untersucht werden, um Korrelationen zwischen den Prozessparametern und resultierenden Schichteigenschaften zu bestimmen. Insbesondere der Einfluss unterschiedlicher Substratvorbehandlungsmethoden, des Siliziumgehalts, der Targetleistung und der Bias-Spannung auf die morphologischen, mechanischen und tribologischen Eigenschaften bei verschiedenen Temperaturstufen (20, 250 und 500°C) bilden den Schwerpunkt der Untersuchungen. Ergänzt werden die Analysen durch Untersuchungen des Ermüdungsverhaltens unter Temperatureinfluss, welche in Taiwan durchgeführt werden. Die Abscheidung der PVD-Schichten am Lehrstuhl für Werkstofftechnologie erfolgt mit Hilfe des Magnetron-Sputteringverfahrens, wobei identische Schichtsysteme bei einem kooperierenden taiwanesischen Partnerinstitut durch das Arc-Evaporation-Verfahren hergestellt werden. Diese Vorgehensweise bietet die Möglichkeit, die erzeugten Nanokompositschichten hinsichtlich ihrer Eigenschaften zu vergleichen und verfahrensspezifische Einflüsse zu identifizieren. Abschließend werden die vielversprechendsten CrAlSiN- und TiAlSiN-Schichten beider Verfahren auf Umformwerkzeugen aufgebracht und deren Leistungssteigerung in einem realen Umformprozess unter erhöhten Einsatz- und Betriebstemperaturen getestet und evaluiert.

1. W. Tillmann, M. Dildrop: Deposition of PVD thin films on thermal barrier coatings for a wear resistant thermal insulation. Proceedings of International Thermal Spray Conference & Exposition 2017, 07.-09. Juni 2017, Düsseldorf.
2. W. Tillmann, M. Dildrop: Influence of Si content on mechanical and tribological properties of TiAlSiN PVD coatings at elevated temperatures. Surface and Coatings Technology, 321 (2017) 448-454. doi: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2017.05.014
3. W. Tillmann, M. Dildrop, D. Grisales Pareja, D. Stangier: PVD-Nanokompositschichtsysteme für thermomechanisch hochbelastete Zerspanungswerkzeuge. In: D. Biermann (Hrsg.): Spanende Fertigung, 7. Ausgabe (2017) 229-238.
4. W. Tillmann, M. Dildrop: Einfluss der Biasspannung und des Sputtermodus auf die Schichteigenschaften von TiAlSiN. Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, 48 (2017) 855-861. doi: https://doi.org/10.1002/mawe.201600731
5. M. Dildrop: Entwicklung kombinierter Schichtsysteme für thermomechanisch hochbelastete Werkzeuge. Dissertation, Technische Universität Dortmund, 2018.

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