Eigenspannungsentwicklung und -stabilität von Cr2AlC-MAX-Phasen-Schichten unter thermischer Beanspruchung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Dieses Projekt hat sich die Erarbeitung allgemeingültiger Korrelationen zwischen Beschichtung, Substrat- Schichtpaarung, thermischer Beanspruchung und dem resultierenden Eigenspannungszustand sowie damit verbunden Versagensmechanismen zum Ziel gesetzt. Am Beispiel von 6 µm Cr2 AlC Dünnschichten – abgeschieden mit High Power Pulsed Magnetron Sputtering (HPPMS) und Direct Current Magnetron Sputtering (DCMS) mit variierenden Beschichtungsparametern auf der Nickelbasissuperlegierung Inconel 718 (IN718), WC-Co - Qualität K40UF (WC-Co) und Rubalit – wurden thermozyklische und isotherme ex-situ sowie insitu Untersuchungen bei 700 °C und 900 °C in Vakuum und oxidierender Atmosphäre durchgeführt. Darüber hinaus wurde der Einsatz einer TiAlN Interdiffusionsbarriere sowie die Eignung von Cr2 AlC Dünnschichten für den Erosionsschutz eruiert. Die Cr2 AlC-Schichten lagen im as-deposited Zustand beschichtungsverfahrens- und parameterabhängig als metastabile kristalline Schichten mit amorphen Bereichen vor. Über Synchrotronexperimente an der Nanofokusstation P03 der DESY Hamburg konnte die metastabile Phase als hexagonales Cr2 C mit, durch die Substitution von Cr durch Al, veränderten Gitterkonstanten identifiziert werden. In-situ Synchrotronexperimente an der Mikrofokusstation P07 der DESY kombiniert mit Hochtemperarturröntgendiffraktometrie zeigten eine zweistufige Phasenbildung der geordneten Cr2 AlC-MAX-Phase über eine ungeordnete Cr2 AlC-Phase. Die Umwandlungstemperaturen waren abhängig von der Prozessführung und den Beschichtungsparametern. Hohe Aufheizraten verschoben diese zu höheren Temperaturen. Die DCMS-Schichten zeigten mit 560 °C die geringste Umwandlungsstemperatur. Es konnte gezeigt werden, dass für die Schichtanwendung stets die gesamte Werkstoffkombination aus Substrat und Funktionsschichten von Bedeutung ist. In diesem Projekt kamen je nach Belastungsfall, Beschichtungsparametern und Substrat-Schichtkombination unterschiedliche Versagensmechanismen zum tragen. Für IN718 führten Risse in der TiAlN Diffusionsbarriere während des Aufheizens auf 900 °C zur Cr2 AlC Degradation infolge der Al-Verarmung, während für WC-Co und Rubalit die Cr2 AlC-Schicht für die Temperaturen 700 °C und 900 °C durch Vertikalrisse während der Abkühlung geschädigt wurde. Die höheren Druckeigenspannungen der HPPMS-Schichten führten zu einer Reduktion der Rissanzahl für die WC-Co und Rubalit Substrate. Für die Langzeitoxidation konnte für die DCMS-Schichten ein Reißen der entstandenen Al2 O3 -Schicht beobachtet werden, die zu einer raschen Oxidation der darunterliegenden Cr7 C3 sowie Cr2 AlC Bereiche führte. In allen Fällen konnten thermisch induzierte Eigenspannungen bzw. die Folgen als Ursache identifiziert werden. Mit den Ergebnissen aus den in-situ Synchrotronexperimenten an der Mikrofokusstation P07 wurde die Entwicklung der Eigenspannungen in den Cr2 AlC-Schichten für mehrere 100 °C - 700 °C bzw. 900 °C Zyklen qualitativ und quantitativ nachvollzogen. Aufgrund der Phasenentstehung sowie weiteren Relaxationsprozessen konnte bei 900 °C kein Einfluss der Beschichtungseigenspannungen über einen längeren Zeitraum nachgewiesen werden. Jedoch hatte das Substrat, als Folge des Misfits der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu Cr2 AlC, einen erheblichen Einfluss auf die reversiblen thermisch induzierten Eigenspannungen. Für IN718 wurde ein Druckeigenspannungsmaximum bei 100 °C von über -1 GPa parallel zur Oberfläche festgestellt, während für WC-Co bei dieser Temperatur ein Zugeigenspannungsmaximum von über 1 GPa aus den Dehnungen berechnet wurde. Die Oxidationsexperimente zeigten die Bedeutung der Cr2 AlC-Schichtdichte in Kombination mit der Textur und Korngröße für die Oxidationsbeständigkeit von Dünnschichten. Obwohl HPPMS-Schichten deutlich feinere Strukturen und somit stets höhere Korngrenzenflächen für die Korngrenzendiffusion aufweisen, zeigten diese eine deutliche Reduktion der Oxidationsgeschwindigkeit im Vergleich zu den texturierten, kolumnaren DCMS Schichten. Die Erosionstests zeigten deutlich, dass vor allem für das senkrechte Auftreffen der Erosionspartikel die Kombination aus Härte und E-Modul der Schicht und des Substrates die Erosionsrate bestimmen. Aufgrund der deutlich geringeren Härte von IN718 versagte die Cr2 AlC-Schicht bereits unter einer Minute Partikelbeschuss, wohingegen für WC-Co eine Erosionsbeständigkeit bis nahezu 40 min nachgewiesen werden konnte.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- „Interdiffusion of PVD-Cr2AlC on WCCo and IN718 during High Temperature Treatment - The Challenges for Deposition of a Suitable Interdiffusion Barrier“. Materials Science and Engineering, Darmstadt, 28. September 2018
Heinze, S. und Leyens, C.
- Hochtemperatur in-situ Eigenspannungs- und Phasenentwicklung von Cr2AlC PVD-Schichten auf IN718 und WCCo“. Werkstoff Woche, Dresden, September 19, 2019
Heinze, S. und Leyens, C.
