Formierung risszäher, ermüdungsbeständiger ZTA-Kompositkeramikschichten auf Aluminiumsubstraten mittels plasmaelektrolytischer Oxidation

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Lampke
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 500196783

Die plasmaelektrolytische Oxidation (PEO) ist ein innovatives Verfahren zur Erzeugung keramischer Schutzschichten. Komplex geformte Aluminiumbauteile können für Einsatzgebiete qualifiziert werden, die eine hohe Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit erfordern, sodass über den werkstofflichen Leichtbau ein Beitrag zur Ressourceneffizienz gewährleistet werden kann. Ein limitierender Faktor für die Einsatzgebiete ist die aus der PEO resultierende Herabsetzung der Schwingfestigkeit aufgrund des spröden Schichtcharakters. Da zyklische Beanspruchungen aber in den meisten Anwendungsgebieten und im Besonderen bei bewegten Systemen vorliegen, ist es notwendig, die Schadenstoleranz der Schichten und somit die Lebensdauer des beschichteten Bauteils zu erhöhen. Keramische Bulkwerkstoffe, die hohe Anforderungen an die zyklische Belastbarkeit erfüllen, basieren in der Regel auf Zirkoniumoxid, da dieses eine höhere Risszähigkeit im Vergleich zu Aluminiumoxid aufweist. Das Ziel des beantragten Vorhabens ist daher, die Schwingfestigkeit von plasmaelektrolytisch oxidierten Aluminiumsubstraten durch die Formierung risszäher, schadenstoleranter Kompositkeramikschichten, bestehend aus Al₂O₃/ZrO₂, zu verbessern. Um dieses Ziel zu erreichen, werden stabile REACh-konforme Zr-haltige Elektrolyte entwickelt, die eine Erzeugung dieser Schichten mittels PEO ermöglichen. Die komplexen Zusammenhänge zwischen dem PEO-Prozess (Elektrolytzusammensetzung, elektrisches Regime und Behandlungszeit) und der Zusammensetzung der Kompositkeramikschichten (Volumenanteil, Phasenverteilung der ZrO₂-Verbindungen) werden mittels optischer Emissionsspektroskopie und der Verwendung und Weiterentwicklung einer in vorhergehenden DFG-Vorhaben erarbeiteten Prozessdiagnostiksoftware, die optische, elektrische und spektrale Prozessinformation zusammenfasst und auswertet, systematisch erforscht. In Rückkopplung mit mikrostrukturellen, mikro- und makromechanischen Analysen, können grundlegende Erkenntnisse hinsichtlich der Wirkbeziehungen zwischen der Schichtmikrostruktur und den bruchmechanischen Eigenschaften der Schicht sowie der resultierenden zyklischen Belastbarkeit des Systems aus Schicht und Aluminiumsubstrat gewonnen werden. Im Fokus ist ein umfassendes Verständnis der Inkorporationsmechanismen von ZrO₂-Phasen in die Aluminiumoxidschicht in Abhängigkeit des PEO-Prozessregimes sowie die Einflussbewertung der Zirkoniumoxidphasen auf die Rissinitiierung unter zyklischer Belastung und die lokale Risszähigkeit in Korrelation mit der Schichtmikrostruktur und der Schadenstoleranz der Kompositkeramikschichten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich(e): Dr.-Ing. Lisa Winter