Forschung
Forschungsprojekte Oberflächentechnik

Entwicklung eines mikrostrukturellen Konzepts zur Unterdrückung der Wirkung von Wachstumsfehlern bei PVD-Beschichtungen

Förderinstitution: DFG
Projektnummer: SCHE 1423 4-1


Kurzdarstellung
Anlass für das Forschungsprojekt sind Störstellen in Bauteiloberflächen, die sich in der Regel ungünstig auf die Schichtnukleation bei PVD-Beschichtungen auswirken. Sie können beim Schichtwachstum zu Defekten in der Schichtstruktur führen. Die Konsequenzen sind eine Minderung der lokalen Haftfestigkeit, höhere Reibwerte und Fehlstellen in der Schicht. Eine hohe Sensitivität der Funktionalität gegenüber Nukleationsdefekten an Störstellen zeigt sich naturgemäß beim Einwirken korrosiver Medien. Die Entwicklung von lokalen Korrosionselementen und deren zeitabhängiges Wachstum sind im direkten Zusammenhang zum Schichtaufbau an der Störstelle zu sehen. Prinzipiell ist zu unterscheiden zwischen funktionellen Auswirkungen, die sich aus der Störung der Mikrogeometrie an überdeckten Störstellen ergeben, sowie Wechselwirkungen, welche im Zusammenhang zu an Störstellen vorliegenden Unterschieden in Kristallisation, Haftung und Zusammensetzung der Beschichtung stehen.

Im vorliegenden Projekt sollten Chromnitrid-Schichten zur Störstellenabdeckung mit Hilfe der Ende 2008 an der MPA / dem IfW in Betrieb genommenen DC-Sputteranlage Cemecon CC800/9 synthetisiert werden. Darüber hinaus ist die CC800/9 mit einem HiPIMS (High Power Impulse Magnetron Sputtering)-Target ausgestattet. Die mit Hilfe der HiPIMS-Technologie erreichten hohen Ionisationsraten sowie die erweiterten Möglichkeiten der Oberflächenvorbehandlung durch Plasma- und Ionenätzen bieten weiteres Potenzial zur Erhöhung der Schichthaftung und der gezielten Beeinflussung bzw. Optimierung der Schichtmikrostruktur und des damit verbundenen Eigenschaftsprofils. Neben der Schichtsynthese und der Einebnung von substratbedingten Störstellen mittels Dünnschichten sollten für die synthetisierten Systeme spezifische Korrosionsuntersuchungen angewendet werden, um durch Kenntnis der Korrosionsmechanismen eine systematische, mechanismenbasierte Schichtentwicklung zu ermöglichen.

Im laufenden Vorhaben konnten durch die Variation spezifischer Prozessparameter der bewilligten HiPIMS-Technologie PVD-Schichten gezielt mikrostrukturiert werden. Hierbei wurden bisher Beschichtungen mittels hybrider Prozesse bestehend aus einer DCMS- und einer HiPIMS-Kathode erfolgreich synthetisiert. Es konnte gezeigt werden, dass das Bedeckungsverhalten von Störstellen in der Oberflächenrandzone modifiziert und damit unmittelbar Einfluss auf das Systemverhalten des Werkstoffverbundes genommen werden konnte. So lassen sich beispielsweise die Haftfestigkeit, das Reib-Verschleißverhalten und die Korrosionsbeständigkeit gezielt beeinflussen. Einen weiteren Schwerpunkt bildet die Oberflächenvorbehandlung durch chemische und elektrochemische Methoden, um die für die PVD-Beschichtung im Ausgangszustand benötigten hohen Oberflächenqualitäten zu gewährleisten. Dem ging die Überlegung voraus, sowohl mit chemischen Methoden als auch elektrochemischen Verfahren die Porosität der Chromnitrid-Schichten zu bewerten.