Oxidationsverhalten, Phasenstabilität und temperaturabhängiges Reibverhalten von Übergangsmetallnitrid Dünnschichten

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Wolfgang Tillmann
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 509534873

Das übergeordnete Ziel des beantragten Forschungsvorhabens ist ein grundlegendes Verständnis des Einflusses von Silizium und Molybdän auf das Oxidationsverhalten, die Phasenstabilität und das temperaturabhängige Reibverhalten von Übergangsmetallnitrid Dünnschichten. Dabei soll die Wechselwirkung zwischen der chemischen Zusammensetzung, der Struktur der tribo-mechanischen Eigenschaften beleuchtet werden, um anschließend eine Analyse der temperaturinitiierten Änderungen des Eigenschaftsprofils der Cr(1-x-y) MoxSiyN und Ti(1-x-y)MoxSiyN Schichten vornehmen zu können. Aufgrund der unterschiedlichen thermischen Beständigkeit der bei der Oxidation entstehenden Chrom- und Titanoxide, kann ein phasentemperaturspezifisches Eigenschaftsprofil erstellt werden. Dazu werden beide Schichtsysteme, Cr(1-x-y)MoxSiyN am Lehrstuhl für Werkstofftechnologie, TU Dortmund und Ti(1- x- y)MoxSiyN am Research Center CIDEMAT, University of Antioquia, unter systematischer Variation des Silizium- bzw. Molybdängehalts synthetisiert. Anschließend wird die Mikrostruktur, insbesondere die Bildung einer Nanokomposit Struktur, in Abhängigkeit der chemischen Zusammensetzung der Schichtsysteme untersucht. Ziel ist es dabei, das elementabhängige amorph/kristalline Phasenverhältnis sowie die Kristallitstruktur und –größe vollständig zu verstehen. Durch den Einsatz von Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) können die Schichten hinsichtlich der Bildung einer Nanokomposit Struktur untersucht werden, während mittels Röntgendiffraktion (XRD) und Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) die gebildeten kristallinen Phasen und Bindungsstrukturen bestimmt werden können und somit zur vollständigen Charakterisierung der Schichtsysteme in Abhängigkeit der chemischen Zusammensetzung beitragen. Dies wiederum ermöglicht eine Korrelation zwischen den strukturellen und den mechanischen Eigenschaften der Schichtsysteme. Aufbauend auf den Ergebnissen wird systematisch der Einfluss der Temperatur auf die Schichtsysteme in Abhängigkeit der Struktur sowie der Eigenschaften untersucht. Mittels Auslagerungsversuchen und Röntgen-Nahkanten-Absorptions-Spektroskopie (XANES) wird eine detaillierte Betrachtung von temperaturinitiierten Rekristallisationsund Diffusionsprozesses sowie Phasentransformationen vorgenommen. Durch Auslagerungsversuche in Atmosphäre und in Vakuum, können element- bzw. phasenspezifische Mechanismen grundlegend verstanden werden. Neben den thermisch-strukturellen Änderungen werden Tribometer Untersuchungen bei hohen Temperaturen vorgenommen. Dabei werden insbesondere die gebildeten Oxide im Hinblick auf die Bildung von reibmindernden Magnèli Phasen mittels Röntgendiffraktion untersucht, mit den Reibund Verschleißeigenschaften in Verbindung gesetzt und deren thermische Stabilität evaluiert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Kolumbien
• Partnerorganisation: Universidad de Antioquia
• Kooperationspartner: Professor Dr. Gilberto Bejarano Gaitán