Microstructural characterization and mechanical properties of nanocomposite AlCrSiN thin films

Titel in Übersetzung: Mikrostrukturcharakterisierung und mechanische Eigenschaften von nanokompositen AlCrSiN Dünnschichten

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenMasterarbeit

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Abstract

Verschleißfeste Hartstoffschichten auf der Basis von Übergangsmetallnitriden zeichnen sich durch ihre außerordentliche thermische Stabilität sowie Oxidationsbeständigkeit in Kombination mit hohen elastischen Moduli und Härtewerten aus. Die inhärente Sprödigkeit der Übergangsmetallnitride resultiert jedoch in nachteiligen Zähigkeitseigenschaften. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine (i) Multilagenarchitektur auf der Basis einer (ii) nanokompositen AlCrSiN Mikrostruktur untersucht, in der eine (iii) lagenabhängige Ausscheidungsbildung an Korngrenzen erzielt wurde. Die so entwickelte AlCrSiN Multilagendünnschicht zeigt eine extrinsische Zähigkeitssteigerung, die zu einer signifikanten Erhöhung der Bruchzähigkeit führt. Untersucht wurden zwei Referenzschichten, Al0.63Cr0.27Si0.1N und Al0.675Cr0.075Si0.25N, sowie eine Multilagenschicht, die sich aus abwechselnden Lagen der zwei Referenzmaterialien aufbaut. Die Dünnschichten wurden mittels kathodischem Lichtbogenverdampfen abgeschieden und für 5 min bei 1050°C unter Vakuum wärmebehandelt. Nanoskalige Charakterisierung durch (i) Rasterelektronenmikroskopie, (ii) Transelektronenmikroskopie sowie (iii) Röntgen-Nanodiffraktion mit Synchrotronstrahlung zeigen eine nanokomposite Mikrostruktur mit hexagonalen Al(Cr)N und kubischen Cr(Al)N Nanokristalliten mit einer Größe von etwa 5 nm. Die Wärmebehandlung hatte im Dünnschichtmaterial mit niedrigerem Si-Gehalt, Al0.63Cr0.27Si0.1N, die Bildung von kubischen Cr(Al)N Ausscheidungen zur Folge, während Al0.675Cr0.075Si0.25N ausscheidungsfrei blieb. In der Multilagenschicht führte das zu einer alternierenden Abfolge an Zwischenlagen mit und ohne Ausscheidungsbildung. Mechanische Eigenschaften wurden mittels in situ Biegeversuchen an freistehenden Mikrobiegebalken bestimmt, die durch fokussierte Ionenstrahlmikroskopie hergestellt wurden. Elastizitätsmodul und Bruchspannung wurden durch Versuche an ungekerbten Biegebalken gemessen, Versuche an gekerbten Biegebalken ermöglichten die Bestimmung der Bruchzähigkeit. Die in situ beobachtete schrittweise Rissausbreitung deckte eine extrinsische Zähigkeitssteigerung auf, die in einer signifikanten Verbesserung des Bruchverhaltens resultiert. Die korrelative Analyse der gezielt eingestellten Mikrostruktur und Messung der mechanischen Eigenschaften der AlCrSiN Dünnschichten tragen maßgeblich zur Entwicklung einer neuen Generation an verschleißfesten Hartstoffschichten mit verbesserten Zähigkeitseigenschaften bei.
Titel in ÜbersetzungMikrostrukturcharakterisierung und mechanische Eigenschaften von nanokompositen AlCrSiN Dünnschichten
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDipl.-Ing.
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Keckes, Jozef, Betreuer (intern)
Datum der Bewilligung20 Okt. 2023
DOIs
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2023

Bibliographische Notiz

nicht gesperrt

Schlagwörter

  • AlCrSiN
  • Nanokomposit
  • Wärmebehandlung
  • Mikromechanik
  • CSnanoXRD

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