Factors affecting morphology and geometry of Arc-PVD coatings on complex part geometries
Final Report Abstract
Beschichtungen von komplexen Geometrien führen oft zu unerwünschten Effekten, wie bspw. ungenügender Abbildung der Ausgangsgeometrie oder Schichtinhomogenitäten. Daher wurde die Schichtdicke in der Vergangenheit oft auf wenige Mikrometer begrenzt. Durch angepasste Beschichtungsprozesse und gezielte Materialkombination ist es gelungen, besonders die Geometrie der Kante während eines Beschichtungsprozesses zu beeinflussen und zu verändern. Innerhalb dieses Projektes wurden Beschichtungsprozesse auf Basis von mehrlagigen AlCrSiN-TiN-Schichten entwickelt, welche für die Beschichtung von komplexen Geometrien geeignet sind und bisherige Grenzen bei der Schichtabscheidung überwinden können. Dazu wurden Flachproben sowie Testprobekörper beschichtet, die verschiedene Schneidkantengeometrien aufweisen. Parallel zu den Beschichtungen fanden OES- Messungen statt, die es ermöglichen sollen, detaillierte Informationen über das jeweilige Metallplasma zu erhalten. Die Plasmacharakterisierung anhand der Aufnahme optischer Emissionsspektren ergab meist eine Zunahme der Intensität der Metallspezies mit steigendem Gasdruck. Mit steigendem Abstand von der Kathodenoberfläche sinkt die Intensität ab. In Abhängigkeit von der Gasart, im konkreten Fall Argon und Stickstoff konnten jeweils die beiden niedriggeladenen Spezies detektiert werden. Bei der Untersuchung der Härte und des E-Moduls der nanolagigen Schichten ist ein Maximum im Druckverlauf zu finden, welches meist zwischen -100 und -400 V liegt. Wesentlichen Einfluss auf die Ausbildung von scharfen Kanten hat vor allem die Abscheidung mit zwei gleichzeitig betrieben Verdampfern, was zu einer nanolagigen Schicht führt. Während eine scharfe Kante bei hohen Biasspannungen entstehen kann, tritt dieser Effekt bei Monomaterialsystem mit nur einem Verdampfern nicht auf. Hinweise lassen sich hier in den Beschichtungsraten in Abhängigkeit von der Biasspannung finden. Bei Monomaterialsystemen, insbesondere bei gut elektrisch leitfähigen Verbindungen wie TiN oder CrN, fällt die Beschichtungsrate mit steigender Biasspannung stark ab. Bei den nanolagigen Schichtsystemen vom Typ AlCrSiN/TiN hingegen sinkt die Beschichtungsrate nur anfänglich ab, bis sie in einen Bereich übergeht, in welchem die Rate nahezu unverändert auf vergleichsweise hohem Niveau verbleibt. Die Kantenqualität wurde mithilfe von Querschliffen analysiert. Hierbei ist auffällig, dass sich teilweise Risse vom Substrat durch die Schicht hindurch bis an die Schichtoberfläche bilden können, wenn der Ausgangsradius sehr klein ist. Eine bevorzugte Strategie bei der Kantenbeschichtung kann daher bei der Auswahl vorverrundeter Kanten liegen, auf welche eine Schicht appliziert wird, die anschließend den Kantenradius senkt. Weitere Forschungsanstrengungen sind darüber hinaus bei der Aufklärung der Wachstumsmechanismen und der Plasma-Schichteigenschaft-Korrelation, wie auch bei der Übertragung der bisherigen Ergebnisse auf reale Werkzeuge zu unternehmen.
Publications
- Untersuchung von Kanteneffekten bei der Werkzeugbeschichtung mit AlCrN-basierten Schichten. 1. DGM-Werkstoffwoche, 2015
Krülle, T.; Kaulfuß, F.; Zimmer, O.; Leyens, C.
- Scharfe Kanten durch Beschichten, Jahresbericht des Fraunhofer IWS Dresden, 106-107, 2016
Krülle, T.
- Dependence of process parameters, edge quality and edge-related effects during Arc-PVD deposition processes. 11th AEPSE 2017 in Jeju, Südkorea
Krülle, T.; Zimmer, O.; Leyens, C.
- Nano-Design für Makroschichten- Anwendungsperspektiven für PVD-beschichtungen bis 100 µm Dicke, Vakuum in Forschung und Praxis ViP (4) 2018
Krülle, T.; Kaulfuß, F. Zimmer, O.; Leyens, C.
(See online at https://doi.org/10.1002/vipr.201800687)
