Untersuchungen zu einer neuartigen Kombinationsbehandlung aus Elektronenstrahl-Umschmelzlegieren und diamantähnlichen Kohlenstoffschichten für hochbeanspruchte Al-Werkstoffe

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Horst Biermann, seit 5/2023; Professor Dr.-Ing. Christoph Leyens
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik ; Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 460370962

Al-Legierungen sind attraktive Leichtbauwerkstoffe, jedoch limitiert die geringe Härte ihren Einsatz für Komponenten unter tribologischer Beanspruchung. Dünne Hartstoffschichten, insbesondere diamantähnliche Kohlenstoffschichten (DLC), weisen ein ausgezeichnetes Reibungs- und Verschleißverhalten auf, welches auf weichen Werkstoffen aufgrund der fehlenden Stützwirkung nur bedingt genutzt werden kann. Dieser Mangel soll durch eine Elektronenstrahl(EB)-Flüssigphasen-Randschichtbehandlung des Al-Substrates und der damit generierten Härtesteigerung beseitigt werden. Ziel des Vorhabens ist es, die werkstoffspezifischen Wirkzusammenhänge und die Abfolge von elastisch-plastischen Deformationen sowie Rissbildung im Werkstoffverbund Al-Substrat - EB-Randschicht - DLC-Schicht zu erforschen, um eine wissensbasierte Auslegung des Werkstoffverbundes für hohe Belastungen vornehmen zu können. Für ein umfassendes Verständnis soll schrittweise eine wissenschaftlich basierte Erkenntniskette der Zusammenhänge zwischen Prozessparametern - Mikrostruktur – Eigenschaften - Beanspruchungsverhalten aufgebaut werden. In der hier beantragten Phase I wird das erforderliche grundlegende werkstoffliche und mechanistische Verständnis zum Grenzflächenaufbau und -anbindung Al-basierter Modell-Legierung/DLC-Schicht als Basis für die Funktionalität eines Schicht-Verbundes auf weichem Al-Substrat geschaffen. Im Fokus stehen die Analyse des mikrostrukturellen Aufbaus der Modell-Legierungen und deren relevante Eigenschaften für die Ausübung der gewünschten Stütz- sowie Haftungsfunktion für die DLC-Schicht. Die schrittweise Untersuchung von Al-, Al-Si- und Al-Si-Ni-(x)-Modell-Legierungen gestattet dabei eine einfachere Extrahierung der Auswirkungen der Gefügebestandteile auf bspw. Oxidations- und selektive Sputtervorgänge und somit auf die Haftung und Beanspruchbarkeit der DLC-Schicht. Die umfassende Analyse der Einzelkomponenten des Werkstoffverbundes hinsichtlich ihrer mechanischen Kennwerte und des Eigenspannungszustandes findet Eingang in die Kontaktmodellierung. Damit soll zunächst ein realitätsnahes elastisches Belastungs-/Kontakt-modell des Schichtverbundes generiert werden, um damit die kompletten Spannungs- und Dehnungszustände berechnen zu können. Augenmerk wird dabei auf das Überschreiten kritischer von-Mises-Spannungen und auf risskritische Spannungsparameter in der Grenzfläche Modell-Legierung/DLC-Schicht sowie innerhalb der DLC-Schicht gelegt. Die Entscheidung, ob ein Spannungs- bzw. Dehnungsparameter letztlich kritisch ist, d. h. zum Auslösen bzw. Ausbreiten von Rissen führt, geschieht im Abgleich mit den im Ritztest und bei der Pop-in-Analyse mittels Nanoindentation real beobachteten Riss-Phänomenen. Gestützt auf diese neuen Grundlagenerkenntnisse soll in Phase II der Übergang zu anwendungsrelevanten technischen Legierungen, um so die Wirkmechanismen der heterogenen, mehrphasigen Vielstofflegierung besser interpretieren zu können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemalige Antragstellerin: Professorin Dr.-Ing. Anja Buchwalder, bis 5/2023