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

• Erstellungsjahr: 2018

Zusammenfassung der Projektergebnisse

In modernen Schichtsystemen ist die Haftung immer noch eines der größten Probleme. Trotz enorm vieler Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der Aufklärung der Haft- und Schadensmechanismen sind hier immer noch viele Zusammenhänge insbesondere auf Mikrostrukturebene unverstanden. Dieses Forschungsprojekt hatte sich deshalb zum Ziel gesetzt, durch systematische Untersuchungen an einem besonders industrierelevanten Beschichtungssystem das Verständnis über die grundlegenden Zusammenhänge des Versagensverhaltens voranzubringen. Die Wahl fiel dabei auf diamantähnliche Kohlenstoffschichten (DLC) als besonders industrierelevantes Schichtsystem, welches als hochtribologisch belastete Schicht heute in vielen Anwendungen eingesetzt wird. Durch die systematische Variation von Substrateigenschaften (Rauheit, Oberflächenchemie, Haftvermittler, Korngröße und Festigkeit), Schichteigenschaften (Härte, Zugfestigkeit, Steifigkeit, Eigenspannungen) und Plasmaparametern konnten gezielt das Versagensverhalten den unterschiedlichen Einflussgrößen zugeordnet und quantifiziert werden. Insbesondere das Versagensverhalten an sehr rauen, beschichteten Oberflächen wurde bisher noch nie mit einer solchen Systematik und in einem solch mikrostrukturellem Detail untersucht worden. So konnte erstmals gezeigt werden, dass sich ab gewissen Strukturgrößen schon während des Schichtwachstums Risse ausbilden, welche später bei Belastung zu Sollbruchstellen führen. In FEM-Simulationen konnte gezeigt werden, dass dies zwar zu einer verfrühten Rissbildung in der Schicht führt, das Versagen aber sehr lokal erfolgt und dadurch schon ein Großteil der Rissenergie verbraucht wurde. Zusammen mit einer ausreichenden Schichtdicke führt dies dazu, dass auf rauen Substraten teilweise 10fache Schichtlebensdauern unter zyklischer Belastung (Überrollung z.B. im Lager) erzielt und in diesem Projekt erstmals auch bis ins Detail erklärt werden konnten. Dies ist insbesondere für die passgenaue Auslegung von tribologisch belasteten Schichten die jeweiligen Anwendungen wichtig. Weiterhin wurden eine Reihe wichtiger methodischer Entwicklungen zur Untersuchung von Schichteigenschaften vorgenommen. In der ersten Phase wurde eine Schrägschliffmethode zur ortsaufgelösten Bestimmung von mechanischen Eigenschaften und chemischer Zusammensetzung von dünnen Schichten entwickelt und weiter angewendet. Weiterhin konnten die FIB-DIC Methode zur Bestimmung von Eigenspannungen in amorphen Schichten so wie das Pillar Splitting zur Bestimmung von Bruchzähigkeiten von dünnen Schichten weiter entwickelt werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Empirical-statistical study on the relationship between deposition parameters, process variables, deposition rate and mechanical properties of a- C:H:W coatings, Coatings 4 (2014) 772-795
  H. Hetzner, C. Schmid, S. Tremmel, K. Durst, S. Wartzack
  
• Stress relaxation during FIB milling assessed by digital image correlation, in situ µ-Raman spectroscopy and electron backscatter diffraction, MSE, Darmstadt, Deutschland, 2016
  C. Schmid, E. Bruder, J. Dluhoš, R. Váňa, L. Benker, M. Göken, K. Durst
  
• Tailored mechanical properties and residual stress of a- C:H:W coatings, ECRS-9, Troyes, Frankreich, 2014
  C. Schmid, H. Hetzner, F. Hilpert, K. Durst
  
• Tailored mechanical properties and residual stresses of a-C:H:W coatings, Advanced Materials Research 996 (2014) 14-21
  C. Schmid, H. Hetzner, S. Tremmel, F. Hilpert, K. Durst
  
• Tailoring of a-C:H:W coatings by specific adjustment of key process parameters during deposition, MSE, Darmstadt, Deutschland, 2014
  C. Schmid, H. Hetzner, S. Tremmel, F. Hilpert, K. Durst
  
• Influence of Shot Peening & Grit Blasting on the Adhesion and the Tribological Behavior of Diamond-like Carbon Coating (a-C:H), 42th ICMCTF, International Conference on Metallurical Coatings and Thin Films, 20 – 24.04.2015, San Diego, USA
  Matthias Kachel
  
• Nanomechanische Charakterisierung der Grenzflächenfestigkeit und des Deformationsverhaltens dünner Kohlenstoffschichten, EFDS, Dresden, Deutschland, 2015
  K. Durst, C. Schmid, J. Schaufler, F. Ahmed
  
• Stress relaxation during FIB milling assessed by digital image correlation and in situ micro-Raman spectroscopy, ICMCTF, San Diego, USA, 2016
  C. Schmid, J. Dluhoš, R. Váňa, K. Durst
  
• Tribochemical Investigation of Hydrogenated DLC Films of Different Roughness by Means of Vacuumtribology Accompanied by Mass Spectrometry, 44th ICMCTF, International Conference on Metallurical Coatings and Thin Films, 24 – 28.04.2017, San Diego, USA
  Matthias Kachel
  
• „Einfluss des Mikro- und Nassstrahlens auf die Haftung und die tribologischen Eigenschaften von a-C:H Schichtsystemen auf die Haftung und die tribologischen Eigenschaften diamantähnlicher Kohlenstoffschichten (a-C:H) auf Stahl (100Cr6)“
  Matthias Kachel
  
• Prozess-Struktur-Eigenschaftskorrelation von kohlenstoffbasierten Hartstoffschichten, Dissertation TU Darmstadt, 2021. VIII, 176 S.
  Christoph Schmid