Quantum-mechanic design and evaluation of precious metal coatings for the reduction of glass adhesions during an isothermal molding process
Thermodynamics and Kinetics as well as Properties of Phases and Microstructure of Materials
Final Report Abstract
Auf der Grundlage von ab initio- und CALPHAD-Berechnungen im System Pt-X (X=Ir, Au) wurden erstmals thermisch stabile Zusammensetzungen für den Einsatz als Schutzschicht im Präzisionsblankpressen von Gläsern vorhergesagt. Die Ergebnisse lassen darauf schließen, dass aufgrund der hohen thermomechanischen Belastungen in der Zielanwendung eine Erhöhung der Stabilitäten von Schutzschichten (thermisch und mechanisch) durch Zugabe von Legierungselementen erreicht werden kann. Diese Vorhersagen konnten in Stabilitäts- und Prüfstandsversuchen bestätigt werden. Als standzeitbegrenzend wurden hier Glasanhaftungen auf der Schutzschicht identifiziert, die auf Diffusion von W aus dem Substratmaterial und Cr aus der eingesetzten Haftvermittlerschicht zurückgeführt werden konnten. Infolgedessen wurden weitere ab initio-Berechnungen zur chemischen Interaktion zwischen dem Glashauptbestandteil SiO2 und verschiedenen potentiellen Legierungselementen durchgeführt. Die quantenmechanischen Vorhersagen zeigen, dass die Edelmetalle, insbesondere Pt und Ir, die Glasanhaftung unterbinden, während Cr und Cu diese begünstigen. Darauf aufbauend wurden zwei Ansätze zur Unterbindung der Diffusionsvorgänge verfolgt: (i) die Untersuchung alternativer Haftvermittler (Cr, Ni, TiAlN, CrN, TaN, TiN) und (ii) die Legierung der Pt-Ir-Schutzschichten mit X=Ag, Au, Cu, Hf, Mo zur thermodynamischen Stabilisierung. Prüfstandsversuche mit verschiedenen Haftvermittlern zeigten, dass nur bei Einsatz von TiN der thermochemische Verschleiß – die Diffusion von W, Pt und Ir aus der Schutzschicht bzw. dem Substrat – erfolgreich verhindert werden konnte Allerdings zeigen Formgebungsversuche, dass die Haftung zwischen TiN-Haftvermittlerschicht und Pt-Ir-Schutzschicht unzureichend ist und den thermomechanischen Belastungen nicht standhält. Die theoretischen und experimentellen Untersuchungen zur Stabilisierung der Pt-Ir-Schutzschichten durch Legierung mit einem weiteren Element zeigen in sehr guter Übereinstimmung, dass sich Systeme mit positiver Mischungsenthalpie wie Pt-Ir-Ag kinetisch stabilisieren lassen, während es bei Mo und Hf zur unerwünschten Bildung intermetallischer Phasen kommt. Nanoindentations-Messungen zeigen ferner in Übereinstimmung mit theoretischen Berechnungen, dass der E-Modul der Schutzschichten mit Zugabe von Legierungselementen sinkt. Die oben genannten Forschungsergebnisse belegen, dass die verständnisbasierte Standzeitverlängerung von Formgebungswerkszeugen beim Präzisionsblankpressen durch Verwendung einer Diffusionsbarriere und Legierung der Pt-Ir-Schutzschicht erreicht werden kann.
Publications
- Estimation of the activation energy for surface diffusion during metastable phase formation, Acta Materialia 98, 135-140 (2015)
Chang, K.; to Baben, M.; Music, D.; Lange, D.; Bolvardi, H.; Schneider, J.M.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.07.029) - Entwicklung eines Verschleißmodells auf Basis der Degradationsmechanismen von Platin-Iridium-Beschichtungen beim Glaspressen, Apprimus Verlag, Aachen (2016)
Bernhardt, F.
- Influence of the Interlayer Material Selection for PtIr-coatings on the Degradation Mechanisms for use in Precision Glass Molding, Proceedings of the 12th International Conference THE „A“ Coatings in Manufacturing Engineering, Hannover, Germany, 219-226 (2016)
Friedrichs, M.; Dambon, O.; Bernhardt, F.; Dong, Z.; Klocke, F.
- Model of coating wear degradation in precision glass molding, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology 87, 1-7 (2016)
Klocke, F.; Dambon, O.; Rohwerder, M.; Bernhardt, F.; Friedrichs, M.; Merzlikin, S.
(See online at https://doi.org/10.1007/s00170-015-8005-2) - Modeling of metastable phase formation diagrams for sputtered thin films, Science and Technology of Advanced Materials 17, 210-219 (2016)
Chang, K.; Music, D.; to Baben, M.; Lange, D.; Bolvardi, H.; Schneider, J.M.
(See online at https://doi.org/10.1080/14686996.2016.1167572) - Atomic diffusion induced degradation in bimetallic layer coated cemented tungsten carbide, Corrosion Science 120, 1-13 (2017)
Peng, Z.; Rohwerder, M.; Choi, P.-P.; Gault, B.; Meiners, T.; Friedrichs, M.; Kreilkamp, H.; Klocke, F.; Raabe, D.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.corsci.2017.01.007) - Metastable phase formation of Pt-X (X = Ir, Au) thin films, Scientific Reports 8, 10198 (2018)
Saksena, A.; Chien, Y.-C.; Chang, K.; Kuemmerl, P.; Hans, M.; Völker, B.; Schneider, J. M.
(See online at https://doi.org/10.1038/s41598-018-28452-4)
