Ermüdungsrissinitiierung und -wachstum in defektbehafteten Hochentropienitridschichten

• Antragstellerin: Professorin Dr.-Ing. Martina Zimmermann
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Beschichtungs- und Oberflächentechnik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 566332027

Nitridischer Hochentropiebeschichtungen zählen zu den superharten und gleichzeitig schadenstoleranten (zäh, duktil) Schichtsystemen und die Aufklärung ihres Deformations- und Schädigungsverhaltens unter statischer mechanischer Belastung wurde in einem Vorgängerprojekt bereits intensiv beforscht. Die zukünftige Erweiterung des Anwendungsspektrums erfordert jedoch auch ein Grundverständnis für die Rissinitiierung und das Risswachstum innerhalb einer solchen Schicht infolge einer zyklischen mechanischen Belastung. Das übergeordnete Ziel des Vorhabens ist daher die Aufklärung der Rissentstehung und des frühen Ermüdungsrisswachstums in defektbehafteten Hochentropienitridschichten. Damit einher geht die Aufstellung eines Vorhersagemodells zur Lebensdauerabschätzung auf der Basis der Defektgröße, -art und -lage unter Anwendung des Kitagawa-Takahashi-Diagramms und dem √Area Konzept. Als Beschichtungsverfahren kommt die Vacuum-Arc-Verdampfung zur Anwendung, bei der durch Umsetzung geeigneter Filtertechnik ein defektarmer und ein defektreicher Zustand der Schichten hergestellt werden kann. Die Rissinitiierung und das frühe Ermüdungsrisswachstum, die Ausbildung sogenannter Rissnetzwerke und die damit einhergehende Änderung des ursprünglichen Eigenspannungszustands in den unterschiedlich defektbehafteten HEN-Schichten sowie deren Wechselwirkungen werden untersucht. Zur Charakterisierung der Eigenspannungszustände kommt die Substratbiegemethode nach Stoney et al. für die Bestimmung der makroskopischen Zustände und die FIB-DIC-Methode gemäß National Physical Laboratories für die lokalen Zustände zum Einsatz. Untersuchungen an künstlich mittels FIB eingebrachten Defekten mit definierter und reproduzierbarer Defektgeometrie in defektarmen Schichten gehen ebenso wie die Untersuchungen an prozessinduzierten Defekten in das Aufstellen des Vorhersagemodells ein. Um sowohl den Einfluss der verschiedenen identifizierten Defektklassen als auch den Einfluss der ermittelten Schichteigenspannungen im Vorhersagemodell zu berücksichtigen, werden darüber hinaus verschiedene ML-Ansätze zur Beschreibung der kritischen Dehnungsamplitude erprobt. Mit kritischer Dehnungsamplitude ist hier jene Dehnungsamplitude gemeint, bei der die Schicht bis in den Bereich hoher bis sehr hoher Lastwechsel gerade noch keine Ermüdungsschädigung an der Oberfläche aufweist.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen