Können hohe Festigkeit und Duktilität in Verschleißschutzschichten kombiniert werden? Eine grundlegende Untersuchung der Plastizität von X2BC-Nanolaminaten (X=Hf, Mo)

• Antragsteller: Professor Dr. Gerhard Dehm; Professor Jochen M. Schneider, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 316303762

Ziel der Arbeiten ist die Beschreibung des Zusammenhangs zwischen Schichtspannungen bzw. -dehnungen und dem plastischen Verformungsverhalten von Mo2BC. Der zugrundeliegende Forschungsansatz beinhaltet Strukturuntersuchungen mittels in situ-Synchrotron-XRD-Experimenten unter mechanischer Belastung sowie elektronenmikroskopisch unterstützte mikromechanische Versuche zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften. Die grundlegenden Mechanismen der plastischen Verformung von X2BC-Nanolaminaten (X=Hf,Mo) sollen identifiziert und die Ergebnisse mit publizierten Literaturwerten sowie den im Projekt erarbeiteten quantenmechanischen Vorhersagen verglichen werden. Da die in Vorversuchen ermittelten mikromechanischen Eigenschaften der Schichten die aus den quantenmechanischen Vorhersagen abgeleitete These einer moderaten plastischen Verformbarkeit unterstützen, sollen die folgenden Fragen zum Zusammenhang zwischen Mikrostruktur und mechanischen Eigenschaften aufgeklärt werden: 1) Beeinflusst die Mikrostruktur von X2BC-Nanolaminat-Dünnschichten (X=Hf, Mo) ihre mechanischen Eigenschaften? Die Mikrostruktur von Dünnschichten wird von den Abscheideparametern wie Abscheidetemperatur, Schichtrate, Ionisierungsgrad der schichtbildenden Spezies bestimmt. Es sollen amorphe, teilkristalline und kristalline Dünnschichten synthetisiert werden. Mittels TEM sollen die Domänengrößen der kristallinen und amorphen Bereiche und - unter Zuhilfenahme von XRD - auch die Kristall-Domänengrößen in den vollständig kristallinen Schichten ermittelt werden. Die Messung der Dehnungseigenschaften soll an verschiedenen X2BC-Schichten in situ im REM erfolgen. Anhand dieser Untersuchungen soll der Einfluss von Eigenspannungen, Phasenanteilen und Domänengrößen auf die mechanischen Eigenschaften der Schichten bestimmt werden. 2) Welche Verformungsmechanismen sind in X2BC-Nanolaminaten aktiv (X=Hf, Mo)? Nanolaminate wie MAX-Phasen weisen eine Anisotropie bezüglich ihrer Plastizität auf, die auf der Deformation durch Versetzungsbewegung auf der Basalebene beruht. Auch die Bildung von Knickbändern wurde beobachtet. Auf der Grundlage von post mortem TEM-Untersuchungen soll die Versetzungsstruktur charakterisiert und ihre Wechselwirkung mit anderen mikrostrukturellen Mechanismen untersucht und somit der in amorphen, teilkristallinen und kristallinen Schichten aktive Verformungsmechanismus identifiziert werden. 3) Eignen sich B/G bzw. der Cauchy-Druck zur Vorhersage der plastischen Verformbarkeit von X2BC-Nanolaminaten (X=Hf, Mo)? Während für Mo2BC eine moderate Duktilität vorhergesagt wurde, ist auf der Grundlage sowohl des Cauchy-Drucks als auch des B/G-Verhältnisses davon auszugehen, dass sich Hf2BC spröde verhält. Durch eine vergleichende Untersuchung dieser beiden Nanolaminat-Systeme soll die Frage aufgeklärt werden, ob diese beiden Parameter eine geeignete Basis für die Vorhersage des mechanischen Verhaltens von Nanolaminaten bilden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen