Herstellung und Untersuchung metallhaltiger und reiner Kohlenstoffbeschichtungen hergestellt mittels HPPMS-PVD

• Antragstellerin: Professorin Dr.-Ing. Kirsten Bobzin
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 235011713

Das beantragte Vorhaben basiert auf dem laufenden Projekt „HPPMS-C-Schichten“ (BO 1979/33-1), in dem die Abscheidung von a-C- und a-C:Me-Beschichtungen für den tribologischen Einsatz mittels HPPMS (High Power Pulse Magnetron Sputtering) bei variierendem Energieeintrag in das Plasma verfolgt wird. Hierbei führte speziell der Einsatz von Neon als Prozessgas zu einer Verbesserung der Schichteigenschaften. Als Erkenntnis aus diesem Projekt ist jedoch eine weitere Verbesserung der Schicht- und Verbundeigenschaften mittels HPPMS hergestellter a-C(:Me)-Schichtsysteme notwendig, um die Eignung für Werkzeuge im tribologischen Einsatz wie der Al-Zerspanung zu erhöhen. Diesbezüglich vielversprechende Resultate konnten in den eigenen Vorarbeiten bei der Verwendung von Substrattemperaturen TS < 250 °C sowie für eine Gradierung der Substrattemperatur beobachtet werden. Diese Einflüsse sollten daher speziell für die Abscheidung von a-C(:Me)-Schichtsystemen mittels HPPMS detailliert untersucht werden.Das übergeordnete Ziel des beantragten Vorhabens ist daher ein grundlagenbasiertes Verständnis der Ursache-Wirkungs-Zusammenhänge von Schicht- und Verbundeigenschaften bei der Abscheidung von a-C- und a-C:Me-Beschichtungen mittels HPPMS bei geringen Substrattemperaturen TS < 250 °C, insbesondere TS < 25 °C, und variierendem Energieeintrag in das Plasma. Hierzu werden die Einflüsse der genannten Prozesskennwerte auf grundlegende Schichteigenschaften wie die Mikrostruktur, das sp3/sp2-Bindungsverhältnis oder die Eigenspannungen mit den anwendungsrelevanten mechanischen Eigenschaften, der Verbundhaftung und der thermischen Beständigkeit der abgeschiedenen Schichtsysteme korreliert. Das Resultat dieser Untersuchungen ist ein bisher nicht vorhandenes modifiziertes Strukturzonenmodell sowie eine Modellierung der Ursache-Wirkungs-Zusammen-hänge für den Niedertemperaturbereich TS < 250 °C für a-C(:Me)-Beschichtungen. Ein weiteres Ziel ist die Erklärung des Einflusses einer Substrattemperaturgradierung auf die Schichteigenschaften und die Verbundhaftung sowie die thermische Beständigkeit. Die Erkenntnisse sollen letztendlich eine gezielte Entwicklung von a-C(:Me)-Beschichtungen auf Stahl- oder Hartmetallsubstraten für Werkzeuge im tribologischen Einsatz ermöglichen. Es erfolgt eine Variation der Substrattemperatur von TS = -90 °C bis TS = 250 °C mit einer Flüssigkeitskontaktkühlung des Substrathalters. Die Variation des Energieeintrags in das Plasma wird mit unterschiedlichen Spitzenleistungen pro Puls beim HPPMS realisiert. Als Prozessgas wird entsprechend der Erkenntnisse aus dem laufenden Projekt BO 1979/33-1 Neon verwendet. Zur Vergleichbarkeit werden a-C(:Zr)-Schichtsysteme betrachtet. Die Untersuchungen erfolgen wie in BO 1979/33-1 in einer großvolumigen Beschichtungsanlage.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: Temperiereinheit inkl. Anschlussperipherie ; UV-Erweiterung für MikroRaman-Spektrometer
• Gerätegruppe: 1840 Raman-Spektrometer ; 8500 Kältemaschinen (bis -100 Grd C), Eiserzeuger, Rückkühlanlagen