Aufklärung der mikrostrukturellen Schädigungsmechanismen von wasserstoffhaltigen, amorphen Kohlenstoffschichtsystemen (a-C:H)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Karsten Durst; Professor Dr.-Ing. Matthias Scherge, seit 1/2016
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 209796101

In dem vorliegenden Projekt zwischen der Physikalischen Metallkunde (PhM) an der Technischen Universität Darmstadt und dem Fraunhofer Institut für Werkstoffmechanik (IWM) in Freiburg, werden die Prozess-Struktur-Eigenschafts-Korrelationen von Kohlenstoffschichtsystemen untersucht. Das Projekt befasst sich mit dem Verformungs- und Schädigungsverhalten von a-C:H Schichten auf duktilen metallischen Substraten sowie der Entwicklung von Methoden zur Schichtsystemoptimierung. Die Untersuchungen fokussieren auf den Zusammenhang zwischen Aufbau, mechanischen Eigenschaften im Grenzflächenbereich sowie den sich daraus ergebenden Haftungseigenschaften bei komplexen Belastungssituationen. Als Beschichtungsprozess kommt ein am IWM etablierter Niedertemperaturbeschichtungsprozess zum Einsatz, welcher weiterhin mittels Plasmamonitoring analysiert wird. Aufgrund der niedrigen Prozesstemperaturen können neben Stählen auch Aluminiumlegierungen mit feiner Kornstruktur als Substrate genutzt werden. Eine Herausforderung ist es dabei, die Tragfähigkeit der Al-Legierungen weiter durch Oberflächenbehandlungsverfahren zu verbessern und weiterhin den Einfluss von Grenzflächenstrukturen und Eigenspannungen auf das Schädigungsverhalten für die jeweiligen Substratmaterialien aufzuklären.In der ersten Förderphase wurden der Beschichtungsprozess und die Prozessüberwachung, die Substratvorbehandlung, sowie neue Schichtcharakterisierungsmethoden entwickelt und erfolgreich auf die verschiedenen Systeme übertragen. Ein wichtiges Arbeitspaket war die Untersuchung der Korrelationen zwischen Prozessparametern und den Eigenschaften der Haftvermittlerschicht [Gro13], was zukünftig auf die Funktionsschicht übertragen werden soll. Mittels Schrägschliffmethode wurde die Abhängigkeit der mechanischen Eigenschaften der Schichten von der chemischen Zusammensetzung ortsaufgelöst untersucht [Sch13] und mit einer ionenstrahlbasierten Freischnittmethode (FIB) wurden die Eigenspannungen der amorphen Schichten bestimmt [Kro13, Ahm13]. Weiterhin wurde die Tragfähigkeit der Al-Substrate durch einen akkumulierten Walzprozess (ARB) modifiziert.In der zweiten Förderperiode sollen die Schädigungsmechanismen der Toluol-basierten Deckschicht in Abhängigkeit von der Belastungssituation und den Systemeigenschaften untersucht werden. Hierzu werden in einem skalenüberbrückenden Ansatz, unterstützt durch FE-Simulationen, die kritischen Spannungen für Schichtdelamination bestimmt. Diese Vorgehensweise wird auf unterschiedliche Oberflächenmodifikationen durch Kugelstrahlen, Walzen und maschinelles Oberflächenhämmern übertragen. Für Schicht-Substratsysteme, welche eine gute Schichthaftung aufweisen, wird schließlich die zyklische Ermüdungsfestigkeit uniaxial und unter Kontaktbelastung getestet. Die Verformungsexperimente werden durch FE-Modellierungen begleitet, um allgemeine Aussagen zum Verhalten der Schichtsysteme unter komplexer Belastung zu treffen und dieses zu optimieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Bernhard Blug; Dr. Kurt Johanns
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Sven Meier, bis 1/2016