Eigenspannungsentwicklung und -stabilität von Cr2AlC-MAX-Phasen-Schichten unter thermischer Beanspruchung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christoph Leyens
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 345199731

Oberflächenbeschichtungen zur Verbesserung der Oxidationsbeständigkeit und des Verschleißschutzes sind seit vielen Jahren Stand der Technik. Cr2AlC, als ein Vertreter der MAX-Phasen, zeichnet sich durch metallische und keramische Eigenschaften sowie einer sehr guten Oxidationsbeständigkeit aus und lässt als Schicht für den Verschleiß- und Oxidationsschutz ein hohes Potential annehmen.Als ein wesentlicher Einflussfaktor auf die Schichteigenschaften sowie die Lebensdauer von Schichten sind die Eigenspannungen zu nennen. Durch das gezielte Einbringen von Eigenspannungen ist es möglich die Lebensdauer von Bauteilen zu verlängern. Hohe thermisch induzierte Eigenspannungen, als Folge großer Unterschiede in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen Schicht und Substrat, können jedoch zu einem Schichtversagen führen. Zum jetzigen Zeitpunkt gibt es keine Untersuchungen zu der Stabilität von Eigenspannungen und somit der Beständigkeit der Eigenschaften von Cr2AlC-Schichten bei erhöhten und hohen Temperaturen. Die Kenntnis dieses Sachverhaltes ist jedoch essentiell für die Anwendung von Dünnschichten unter thermischer Beanspruchung. Des Weiteren ist zum jetzigen Zeitpunkt nicht bekannt, wie sich die Oxidation von Cr2AlC-Schichten auf die Eigenspannungen bzw. Schichteigenschaften auswirkt, da sich infolge der selektiven Oxidation von Aluminium eine Chromkarbidschicht bildet, die den Eigenspannungszustand sowie die Schichteigenschaften, neben der sich bildenden Aluminiumoxidschicht, signifikant beeinflussen kann.Gegenstand dieses Antrages ist die Untersuchung der Eigenspannungsentwicklung und -stabilität in Cr2AlC-Schichten in Abhängigkeit von den Beschichtungsparametern, dem Substrat, der thermischen und thermomechanischen Belastung sowie der Oxidation und den damit verbundenen Phasenumwandlungs- bzw. Phasenbildungsprozessen. Diese Untersuchungen werden mit dem Ziel durchgeführt, einen Beitrag zur Aufklärung der Eigenspannungsentwicklung in Dünnschichten zu leisten sowie die Eignung von Cr2AlC-Dünnschichten als Verschleiß- und Oxidationsschutzschichten zu eruieren. Im Rahmen dieses Projektes werden isotherme und thermozyklische in situ Hochtemperatur-Röntgendiffraktometrie (XRD) mit ex situ XRD-Untersuchungen von Schichten aus Langzeitauslagerungen in isothermen und zyklischen Öfen kombiniert. Zur gezielten Beurteilung der einzelnen temperatur- und oxidationsabhängigen Prozesse werden diese Untersuchungen unter Vakuum und oxidierender Atmosphäre erfolgen. Erosionsversuche dienen der Beurteilung der Beständigkeit von Cr2AlC-Schichten bei thermischer und mechanischer Beanspruchung, unter Berücksichtigung des Einflusses des Eigenspannungszustandes sowie der Phasenentwicklung infolge der Oxidation. Die Analyse der Eigenspannungsrelaxationsmechanismen in den Schichten sowie der Versagensmechanismen werden begleitend durchgeführt und ermöglichen eine umfassende Beurteilung der während der thermischen und mechanischen Belastung ablaufenden Prozesse.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen