Thermal stability and oxidation resistance of Ti-Al-N/Ta-Al-N multilayer coatings

Im Bereich der Hartstoffschichten hat sich Ti(1-x)Al(x)N als eines der am häufigsten industriell angewandten Werkstoffsysteme etabliert und wurde bereits erfolgreich mit Hilfe chemischer und struktureller Veränderungen weiterentwickelt. Die vorliegende Studie baut auf den jüngst veröffentlichten Ergebnissen auf, bei denen die positiven Effekte von Ta als Legierungselement bezüglich der thermischen Stabilität von Ti(1-x)Al(x)N Schichten bewiesen wurden. Weiterhin wurde der Einfluss der Beschichtungsmethode am Beispiel von zwei für die Industrie relevanten Methoden - reaktive Lichtbogenverdampfung und Kathodenzerstäubung - im Detail untersucht. Ti(1-x)Al(x)N/Ta(1-y)Al(y)N (x=Al/(Al+Ti) bzw. y=Al/(Al+Ta) stellen den Al-Anteil der individuellen Lagen dar) Multilagenschichten wurden erfolgreich in einer modernen Industrieanlage hergestellt, wobei Ti(1-x)Al(x)N unter Verwendung von Ti(0.5)Al(0.5) Targets und Ta(1-y)Al(y)N unter Verwendung von Ta(0.75)Al(0.25) Targets abgeschieden wurde. Durch gezielte Anpassung der Prozessparameter konnte der Schichtaufbau verändert werden. Mittels Röntgendiffraktometrie (XRD) und Nanoindentation wurden die Schichten nach einer Vakuum-Temperaturbehandlung bis hin zu Temperaturen von 1400°C hinsichtlich ihrer Strukturänderung und Härte untersucht. Die vorliegenden Resultate deuten auf eine starke Abhängigkeit der mechanischen und thermischen Eigenschaften – folge dessen auch Aushärtungs- bzw. Oxidationsverhalten - von der veränderten Lagendicke, sowie dem Anteil an Tantal in den Ti(1-x)Al(x)N/Ta(1-y)Al(y)N Multilagenschichten, hin.