Untersuchungen zum Wirkmechanismus einer Kurzzeit-Elektronenstrahl-Flüssigphasenbehandlung auf die Struktur und das Beanspruchungsverhalten von Aluminiumnitridschichten auf Al-Werkstoffen (AlN-EB-Flash-02)

• Antragstellerin: Professorin Dr.-Ing. Anja Buchwalder
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 242844368

Im ersten Projektzeitraum konnte gezeigt werden, dass das neu entwickelte Kombinationsverfahren, bestehend aus Nitrieren und nachfolgendem Elektronenstrahl-Umschmelzen (EBU) für Al-Legierungen zielführend umgesetzt werden kann. Der Energieeintrag beim EBU erfolgt durch die zuvor erzeugte AlN-Schicht (Nitrieren) hindurch, ohne dass diese zerstört wird. Aus der Schnellerstarrung des im Al-Substrat erzeugten Schmelzpools resultiert eine dreifach höhere Härte, die für eine verbesserte Abstützung der dünnen, harten AlN-Schicht sorgt. Die besondere Innovation dieser Technologie liegt darin, dass es zusätzlich möglich ist einerseits die aus der Auswärtsdiffusion des Al resultierenden Hohlräume unterhalb der AlN-Schicht zu beseitigen und einen Interlayer zu generieren, der zu einer durchgängigen Anbindung der AlN-Schicht an das Substrat führt. Andererseits werden die Oberfläche strukturiert und nitrierspezifische Oberflächendefekte mit Schmelze aufgefüllt.Im hier beantragten Fortsetzungsprojekt sollen die sich neu ergebenen Fragestellungen zum Energieeintrag bei inhomogenen Absorptionsschichten, dem strukturellen Aufbau des Interlayers und der Oberflächenstrukturierung tiefgreifend untersucht, analysiert und bewertet werden. Mittels hochauflösender Mikrostrukturuntersuchungen soll das vorhandene Wissen zum Nitriermechanismus von übereutektischen Al-Legierungen konkretisiert werden. Auf dieser Basis sollen der strukturelle Aufbau des nach dem EBU entstehenden Interlayers sowie die Diffusionsvorgänge bzw. Phasenbildungen aufgeklärt werden. Gestützt auf die neuen Grundlagenerkenntnisse werden anhand von zwei definierten Energieeinträgen die Zusammenhänge zwischen Struktur und Dicke des Interlayers und dessen Härte und Haftung analysiert. In prozessorientierten Untersuchungen wird das tribologische Beanspruchungsverhalten der Randschichtverbunde untersucht und gezielt beeinflusst. Durch eine definierte Variation des Energieeintrags und/oder der Strahlführungsparameter sollen die Auswirkungen auf die Oberflächenstrukturierung nach dem EBU sowie auf das Reibungs- und Verschleißverhalten der Schicht-Substrat-Verbunde analysiert und erforscht werden.Des Weiteren soll der Mechanismus zur Energieabsorption beim EBU für inhomogene Absorptionsschichten (Schicht-/Matrixanteil) unter besonderer Berücksichtigung des hohen elektrischen Widerstandes der AlN-Schichten aufgeklärt und im Zusammenhang damit der Einfluss unterschiedlicher AlN-Schichtdicken untersucht und modellhaft dargestellt werden. Mit Hilfe der Ergebnisse aus der Modellbeschreibung der Energieabsorption beim EBU, dem strukturellen Aufbau bzw. der Härte des Interlayers und dem Haftungs- und Verschleißverhalten als Funktion der Behandlungsparameter können so verallgemeinerungsfähige Aussagen zur gezielten beanspruchungsgerechten Auslegung eines Randschichtverbundes mit einer AlN-Schicht als Funktionsoberfläche auf Al-Legierungen abgeleitet werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen