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Vortrag (20 Min., 5 Min. Diskussion, 5 Min. Raumwechsel)

Hochtemperatur in situ Eigenspannungs- und Phasenentwicklung von Cr2AlC PVD-Schichten auf IN718 und WCCo

Donnerstag (19.09.2019)
17:00 - 17:30 Uhr Festsaal

Cr2AlC, als ein Vertreter der MAX-Phasen, ist aufgrund der sehr guten Oxidationsbeständigkeit ein vielversprechender Beschichtungswerkstoff für Bauteile die hohen bis sehr hohen Temperaturen in oxidierender Atmosphäre ausgesetzt sind.

Einer der bedeutendsten Einflüsse auf die Schichtstabilität sind Eigenspannungen. Vor allem bei Hochtemperaturanwendungen kann es aufgrund von Unterschieden der linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Substrat und Schicht sowie Phasenumwandlungen zur Ausbildung erheblicher Eigenspannungen kommen. Der resultierende Eigenspannungszustand nach der PVD-Beschichtung bzw. während des Einsatzes ist häufig komplex und das Resultat der Superposition verschiedener Einflüsse. Für Hochtemperaturanwendungen von PVD-Schichten sind die bedeutendsten Faktoren die Beschichtungs- und Anwendungstemperatur sowie die Beschichtungseigenspannungen.

Der Fokus der Untersuchungen lag auf der Bestimmung der Eigenspannungsentwicklung während zyklischer und isothermer Wärmebehandlung bei 700°C und 900°C sowie der Möglichkeit diese durch Variation im Beschichtungsprozess und Verwendung unterschiedlicher Substrate gezielt zu beeinflussen.

Es wurden Cr2AlC-PVD-Schichten mittels HPPMS und DCMS unter Variation der BIAS-Spannung und Temperatur auf IN718 und WCCo abgeschieden und an der Mikrofokusstation der Synchrotroneinrichtung DESY in einem Dilatometer zyklischer und isothermer Wärmebehandlungen unterzogen. Aufgrund der hochenergetischen Strahlung war es möglich röntgenografische Messungen mit hoher Zeit- bzw. Temperaturauflösung durchzuführen und die Eigenspannungs- und Phasenentwicklung zu bestimmen. In Kombination mit FEM Simulationen und Rasterelektronenmikroskopie wurde ein umfassender Überblick über die Vorgänge in den Cr2AlC-Schichten erarbeitet.

Es konnte gezeigt werden, dass primär die thermisch induzierten Eigenspannungen durch die zwei verwendeten Substrate die Eigenspannungsentwicklung bestimmen. Während bei IN718 ein Druckspannungsmaximum bei Raumtemperatur auftrat, bildeten sich bei WCCO hohe Zugeigenspannungen aus. Bei Aufheizung kam es substratunabhängig zu einem Eigenspannungsabbau wobei das Minimum am Temperaturmaximum erreicht wurde.

Weiterhin konnten für den ersten Zyklus der Wärmebehandlung eine temperaturabhängige Phasenumwandlung der z.T. noch metastabilen Cr2AlC-Schicht hin zu stabilem Cr2AlC und Chromkarbid sowie eine Kornfeinung von Substrat und Schicht nachgewiesen werden.

Sprecher/Referent:
Stefan Heinze
Technische Universität Dresden
Weitere Autoren/Referenten:
  • Prof. Dr. Christoph Leyens
    Technische Universität Dresden