PVD/PECVD-HPPMS-Beschichtungsanlage
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ein Fokus der durchgeführten wissenschaftlichen Untersuchungen lag auf der Herstellung dünner Oberflächenschutzschichten gegenüber Verschleiß- und Korrosionsbelastungen, insbesondere unter Nutzung der HPPMS-Technologie. Im Teilprojekt T12 „Beschichtungen als Verschleißschutz für Werkzeuge der Warmmassivumformung“ des SFB 489 wurden innovative PVD-Schichten auf Grundlage von Multilayer- und gradierten Beschichtungen auf TiBN und TiB2 – Basis entwickelt und auf Modellwerkzeuge aufgebracht. Die HPPMS-Technologie der Anlage ermöglicht dabei durch die hohe Ionisationsrate sowie die dropletfreie Schichtabscheidung eine Anpassung der Schichten an die Anforderungen unterschiedlicher Schmiedeprozesse und Werkzeugsysteme, insbesondere bei der Beschichtung von Flankenflächen. Vergleichende Verschleißuntersuchungen an beschichteten Werkzeugen werden aktuell durchgeführt. Im Bereich der Umformwerkzeugkonditionierung im Hinblick auf die Verarbeitung neuartiger hochfester Aluminiumlegierungen, wie sie im SFB 692 entwickelt werden, erfolgte die Generierung einer Diamond- Like-Carbon PVD-Hartstoffbeschichtung. Mittels Prüfung erzeugter Schichten im Modellversuch (Rolle- Platte-Prüfstand) konnte Ihre Nutzbarkeit für Umformwerkzeuge im Bereich der Kalt- und Warmumformung anhand günstiger Reibwertverläufe nachgewiesen werden. Im Projekt „AIBB – Entwicklung von Beschichtungen für Bipolarplatten aus Aluminium für Hochtemperatur- PEM-Brennstoffzellen mit strömungsoptimierten Kanalstrukturen“ konnte mittels HPPMS-Verfahren ein Schichtsystem vom Typ MoZr + O2 (20nml) auf galvanisch erzeugter Cr-Haftschicht für Bipolarplatten aus Aluminium entwickelt werden. Die Beschichtung fungiert dabei als Korrosionsschutz der Bipolarplatte im Kontaktbereich der phosphorbetropften Plattenmembran. Die technische Einsatzfähigkeit derart beschichteter Al-Bipolarplatten konnte durch Prüfung eines aufgebauten Einzellers in Dauertests von bis zu 500 Stunden ohne Degradationserscheinungen bewiesen werden. Darüber hinaus wurde eine prototypische Brennstoffzelle mit einem Stack, bestehend aus 3 Zellen, aufgebaut und erfolgreich ohne Korrosionserscheinungen betrieben. Bipolarplatten aus Aluminium mit der neu entwickelten Multilayer- Beschichtung besitzen im Vergleich zu den vorherrschenden Graphit-Compoundplatten eine vergleichbare Korrosionsbeständigkeit bei deutlich höheren mechanischen Festigkeiten. Aluminiumsubstrate sind zudem im Vergleich zu Graphit-Compound deutlich günstiger. Ein zusätzlich untersuchter Forschungsansatz basiert auf der Dünnfilmbeschichtung von Massivdrahtelektroden für das Metall-Schutzgas-Schweißen mit dem Ziel das Lichtbogen- und Einbrandverhalten sowie die mechanisch-technologischen Eigenschaften des entstehenden Schweißgutes definiert zu beeinflussen. Es konnte nachgewiesen werden, dass in Abhängigkeit des Beschichtungssystems der Lichtbogen gezielt stabilisiert werden kann und der Einbrand tatsächlich eine deutliche Variation hinsichtlich Form und Tiefe erfährt; vergleichbar mit der Prozessbeeinflussung durch den Einsatz unterschiedlicher Schutzgase. Im Hinblick auf die mechanisch-technologischen Eigenschaften des entstehenden Schweißgutes konnten beispielsweise im Vergleich zu einem einheitlichen Referenzdraht durch verschiedene Beschichtungssysteme unterschiedliche Stufen einer Zugfestigkeitssteigerung (von 4,6% bis 37%) erreicht werden. Gleichzeitig ist eine Abnahme der Bruchdehnung zu verzeichnen. Die erzielten Ergebnisse lassen jedoch den Schluss zu, dass durch die gezielte Abstimmung der verwendeten Schichtsysteme dem Zähigkeitsabfall gezielt entgegen gewirkt werden kann. Darüber hinaus wurde die PVD-Anlagentechnik zur Erzeugung von Diffusionssperrschichten zur Verbesserung der Schweißbarkeit von neuzeitlichen Eisen-Mangan-Stählen genutzt. Im verzinkten Zustand tritt bei der schweißtechnischen Verarbeitung dieser Werkstoffe eine nachhaltige Lotrissigkeit durch die Diffussion des schmelzflüssigen Zinks entlang der Korngrenzen des im festen Zustand befindlichen austenitischen Stahls auf. Begünstigt wird dieser Vorgang durch die beim Schweißen auftretenden Wärmespannungen. Aus Korrosionsschutzgründen ist eine Verzinkung des Werkstoffs jedoch unerlässlich. In ersten Screeningversuchen war durch das Aufbringen einer Diffusionssperrschicht zwischen Zinkauflage und Werkstoffoberfläche eine deutliche Minderung der zinkinduzierten Risse in der Umgebung von Punktschweißverbindungen zu beobachten.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Dünnfilbeschichtungsanalyse bei Korrosionsbeanspruchung von Aluminiumsubstrat. Clausthaler Zentrum für Materialtechnik – Bericht 2011-2012, 2012, ISBN: 978-3-943917-14-7
Volker Wesling, Alexander Petsch, Thorsten Kandelhardt
- Untersuchung der Strom- und Spannungsverläufe bei unterschiedlichen HPPMS-spezifischen Parametern und bei oxidischen Beschichtungen. Clausthaler Zentrum für Materialtechnik – Bericht 2011-2012, 2012, ISBN: 978-3-943917-14-7
Philip Dellinger, Friedrich-Wilhelm Bach
- Untersuchungen von Diamond-Like- Carbon PVD-Beschichtungen für Umformwerkzeuge von Aluminiumlegierungen. Clausthaler Zentrum für Materialtechnik – Bericht 2011-2012, 2012, ISBN: 978-3-943917-14-7
Volker Wesling, Alexander Petsch, Thorsten Kandelhardt, Jens Hamje
- Untersuchung des neu entwickelten Verfahrens der PVD-Schichttransplantation Institut für Werkstoffkunde (Hannover): Berichte aus dem IW (Hrsg. Hans Jürgen Maier), Band 2014,5, 2014, ISBN: 978-3-944586-83-0 2014, zugl.: Dissertation Leibniz Universität Hannover
Philip Dellinger:
- Einfluss von Dünnfilmbeschichtungen auf Massivdrahtelektroden für das Metallschutzgasschweißen auf die mechanisch-technologischen Eigenschaften des Schweißgutes Fortschrittsberichte der Materialforschung und Werkstofftechnik, Hrsg.: Clausthaler Zentrum für Materialtechnik, Band 1: Tagungsband 1. Niedersächsisches Symposium Materialtechnik, ISBN: 978-3-8440-3403-5, Februar 2015
Volker Wesling, Antonia Schram, Kai Treutler
- Influence on thin film coatings on solid wire electrodes for gas metal arc welding on the mechanicaltechnological properties of the weld metal. 18th International Conference on Joining Materials, Helsingør, 2015, Conference Proceedings will be published under ISSN: 2246-0160
Volker Wesling, Antonia Schram, Kai Treutler
- Potenziale neuartiger Schweißdrahtbeschichtungen in der Prozessgestaltung Clausthal – University of Technology, Technical Report Series, Nr. Fac3-15-01 February 2015, ISSN: 1869-8018
Volker Wesling, Antonia Schram, Kai Treutler
- Steigerung der Lebensdauer von PEM-Brennstoffzellen. 1. Niedersächsisches Symposium Materialtechnik, Clausthal- Zellerfeld, Februar 2015
Hagen Kerl
