Erforschung der Hochtemperatursynthese von Al2O3- und ZTA-Beschichtungen mittels HS-PVD

• Antragstellerin: Professorin Dr.-Ing. Kirsten Bobzin
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 532907407

Aufgrund der besonderen Werkstoffeigenschaften von Ni-Basislegierungen, und den damit zusammenhängenden Anforderungen bei der Zerspanung dieses Werkstoffs werden Hartmetall-werkzeuge beschichtet. Neben einer geringen Adhäsionsneigung und einer hohen Abrasionsfestigkeit müssen diese eine hohe Temperaturstabilität und Oxidationsbeständigkeit aufweisen. Als Verschlei߬schutzschicht für Zerspanwerkzeuge bietet insbesondere kristallines α-Aluminiumoxid (Al2O3), welches mittels Hochtemperatur-Chemical Vapour Deposition (HT-CVD) hergestellt wird, ein hohes Potential. Hingegen der zahlreichen Studien zur Synthese von PVD-Al2O3 bei Temperaturen T ≤ 700 °C, sind jedoch nur vereinzelte Studien vorhanden, welche sich mit der Synthese von Al2O3 mittels HT-PVD-Prozesse T > 700 °C beschäftigen. Bei HT-synthetisierten Al2O3-Beschichtungen bleiben zudem die Untersuchung des Verformungsverhaltens, des Eigenspannungszustands sowie der Rissbeständigkeit unbeachtet, welche wichtige Eigenschaftskriterien unter Einsatzbedingungen dieser Schichten an Zerspanwerkzeugen darstellen. Als Nachteile von reinen Al2O3-Schichten können das spröde Schichtverhalten bzw. die geringe Rissbeständigkeit genannt werden. Daher wurde im Bereich der Hochleistungskeramiken versucht mithilfe von zusätzlichen Phasen, von denen sich ZrO2 als sehr vielversprechend herausgestellt hat, die Beschränkungen von phasenreinem α-Al2O3 zu kompensieren. In zirkoniumdioxidverstärktem Aluminiumoxid (ZTA) führt die Zugabe von ZrO2 zu Al2O3 zu einer Erhöhung der Rissbeständigkeit. In der Forschung zu PVD-ZTA-Schichten existieren hierzu jedoch nur wenige Untersuchungen. Die High-Speed (HS)-PVD arbeitet nach dem Prinzip des Hohlkathoden-Gasflusssputterns (HK-GFS) und ermöglicht zudem HT-Beschichtungsprozesse bis zu T = 950 °C. In Vorarbeiten konnte gezeigt werden, dass zur Entwicklung von oxidischen Verschleißschutzschichten insbesondere die HS-PVD-Technologie ein hohes Potential bietet. Das übergeordnete Ziel des jetzt beantragten Forschungsvorhabens besteht in der Erforschung von dicken (s > 15 µm) kristallinen α-Al2O3-Schichten mittels HT-PVD, 700 °C ≤ T ≤ 900 °C, sowie dem Erkenntnisgewinn über den Einfluss von hohen Prozesstemperaturen auf die Schichteigenschaften. Hierzu wird die HS-PVD-Technologie eingesetzt, welche die Herstellung von dicken PVD-Beschichtungen bei gleichzeitig hoher Temperatur ermöglicht. Hierbei wird ein Prozessfenster zur Abscheidung α-Al2O3-Schichten bei höheren Prozesstemperaturen erforscht. Durch die geplanten Analysen werden die Einflüsse hoher Prozesstemperaturen auf Schichteigenschaften ermittelt. Des Weiteren wird der Einluss von ZrO2 auf Rissbeständigkeit der ZTA-Schichten untersucht. Infolge der durchgeführten Analysen werden der Eigenspannungszustand in den Beschichtungen bzw. die Wechselwirkungen zwischen den Beschichtungsparametern und den Eigenspannungen grundlegend erforscht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen