Multilayer Design for Increased Toughness of CrN-based Coatings

Titel in Übersetzung: Multilagen Design zur Verbesserung der Zähigkeitseigenschaften von auf CrN basierenden Schichten

Manfred Schlögl

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

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Abstract

Keramische Schichten werden aufgrund ihrer hervorragenden thermischen Stabilität, Oxidations- und Abrasionsbeständigkeit in unterschiedlichen Industrieanwendungen eingesetzt. Vor allem Übergangsmetallnitride, wie CrN sind ausführlich untersucht hinsichtlich ihrer Mikrostruktur, Morphologie, thermischen und mechanischen Eigenschaften. Die Nachfrage nach vielseitig anwendbaren Materialien in den letzten Jahrzehnten forcierte intelligent architektonisch ausgeführte Konstruktionen und führte zur Entwicklung von nanokristallinen und mehrlagigen Strukturen. Diese Arbeit befasst sich mit den strukturellen, mechanischen und thermischen Eigenschaften von CrN/AlN Mehrlagenschichten. Die Herstellung mit AlN-Lagendicken von 1, 2, und 3 nm und CrN-Lagen mit einer Dicke von 1 bis 10 nm ermöglicht es, den Einfluss der jeweiligen Lagendicke zu untersuchen. Aufgrund der Ergebnisse von Röntgendiffraktometrie (XRD), Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und hochauflösende TEM (HRTEM) kann auf eine durchgehende metastabile kubische Stabilisierung der AlN Lagen geschlossen werden, sobald die Lagendicke kleiner als 3 nm ist und die CrN-Lagen mindestens die gleiche Dicke aufweisen. Andernfalls kristallisieren die AlN-Lagen in ihrer stabilen ZnS wurtzit Struktur. Jene Schichten mit einer Übergitterstruktur zeigen ein charakteristisches Härteprofil als Funktion der Doppellagenperiode Λ mit einem ausgeprägten Härtemaximum von 31 und 28 GPa. Die höchste thermische Stabilität wurde für diese Mehrlagenschichten mit Übergitterstruktur gefunden, wenn das kolumnare Wachstum unterbrochen wurde. Weitere Untersuchungen befassten sich mit dem Einfluss der AlN Lagen in ihrer metastabilen kubischen und stabilen wurtzit Struktur auf das kolumnare Wachstum von CrN-basierenden Mehrlagenschichten und ihren mechanischen und thermischen Eigenschaften. Für diese Untersuchungen wurden Mehrlagenschichten mit AlN Lagendicken von 3 und 10 nm mit CrN, CrAlN und CrAlYN Lagen kombiniert. Die Studie zeigt verbesserte mechanische und thermische Eigenschaften für die Schichten mit 10 nm dünnen AlN-Lagen. Ist die Dicke der AlN Lagen größer 3 nm, so sind die Kohäherenzspannungen zu CrN, CrAlN und CrAlYN zu schwach um eine komplette kubische Stabilisierung zu gewährleisten. Daher neigen dicke AlN Schichten in ihre stabile wurtzit Struktur zu kristallisieren und führen dadurch zu einer Behinderung des kolumnaren Wachstums. Die Sprödigkeit von keramischen Schichten beeinträchtigt oft ihre Einsetzbarkeit vor allem wenn eine erhöhte Rissbeständigkeit gefordert ist. Deshalb wurde der Einfluss von AlN-Lagen (in metastabiler kubischer und stabiler hexagonaler Struktur) auf das Bruchverhalten von keramischen CrN/AlN Mehrlagenschichten untersucht. Dazu wurden in-situ micro-Druck-, Biege- und Zugversuche von diesen Mehrlagenschichten durchgeführt und mit monolithischen CrN verglichen. Die Tests zeigten deutlich Rissverzweigungen, Rissauffang- und Rissstopmechanismen sowie die höchste Rissspannung für die komplett kubisch stabilisierten CrN/AlN Mehrlagenschichten, was auf eine spannungsinduzierte Phasentransformation von der metastabilen kubischen zu der stabilen wurtzit AlN-Phase hindeutet. Die CrN/AlN Mehrlagenschicht mit gemischter kubisch/wurtzit AlN-Struktur zeigt keine Rissablenkung, aber die niedrigste Bruchspannung. Diese Arbeit zeigt umfangreiche in-situ Bruchtests im micro Bereich und stellt interessante Informationen bezüglich Bruchverhalten von Hartstoffschichten bereit.
Titel in ÜbersetzungMultilagen Design zur Verbesserung der Zähigkeitseigenschaften von auf CrN basierenden Schichten
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Keckes, Jozef, Beurteiler A (intern)
  • Mayrhofer, Paul Heinz, Betreuer (intern)
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2012

Bibliographische Notiz

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