Al-Cr-N thin film design for high temperature applications

Diese Doktorarbeit untersucht das Design dünner AlxCr1-xN Hartstoffschichten (0 <x <1) für Hochtemperaturanwendungen. Mittels Physikalischer Dampfphasenabscheidung konnten einkristalline und polykristalline metastabile Mischkristalle hergestellt werden. Durch die Kombination der Simultanen Thermischen Analyse, bestehend aus Wärmestrom-Differenz-Kalorimetrie, Thermogravimetrie, und Massenspektrometrie, mit Röntgen Diffraktometrie und analytischer Transmissions Elektronen Mikroskopie, konnten Festkörperreaktionen in unterschiedlichen Atmosphären bis 1500°C untersucht werden. Die Korrelation der mikrostrukturellen Änderungen mit den mechanischen Eigenschaften wurde mittels Nanohärtemessungen erforscht. AlxCr1-xN weist einen Übergang der kristallographischen Struktur von kubisch NaCl (B1) zu hexagonal Wurtzit (B4) bei x>0,7 auf. Durch epitaktisches Wachstum konnte die kubische Modifikation in dieser Arbeit bis x=0,81 stabilisiert werden. Der Zusatz von Al zu CrN erhöht die Oxidationsbeständigkeit und die Stabilität der Cr-N Bindungen bis über 1000°C. Die darauf folgende Zersetzung führt über Cr2N zu metallischem Cr, mit Stickstoff as Nebenprodukt. Polykristalline Al0,68Cr0,32N Schichten zeigen Ausscheidungshärtung durch die Bildung von hexagonalem AlN, verbunden mit einer Reduktion der Cr-N Bindungsstabilität. Vermeidung der Ausscheidungen durch Keimstellenreduktion (einkristallines Material) oder niedrigerem Al-Gehalt resultiert in konstanter Härte von 30 GPa bis über 1000°C.