Micromechanical Characterization of Self-Organized Ti1-xAlxN Nanolamellae: The Influence of Interface Coherency and Phase Alteration on Fracture Behaviour

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenMasterarbeit

Organisationseinheiten

Abstract

Mechanische Eigenschaften von nanostrukturierten, harten Beschichtungen hängen primär von der Phase der Beschichtung, der Mikrostruktur der Beschichtung und dem Eigenspannungszustand ab. Neben der Härte, werden auch große Anstrengungen unternommen die Brucheigenschaften der Beschichtungen, namentlich Bruchzähigkeit und Bruchspannung, zu verbessern. Im Fall von monolithischen keramischen Beschichtungen, wird der normalerweise beobachtete intergranulare Bruch durch die kolumnare Kornmorphologie hervorgerufen. Sowohl nanostrukturierte und multilagige Beschichtungen als auch Phasenänderungen stellen Möglichkeiten zur Verbesserung der Brucheigenschaften dar. Dabei ist das Perlmutt von Muscheln das führende Modell um Brucheigenschaften zu verbessen indem harte und weiche Lagen abgewechselt werden. In dieser Arbeit werden die mechanischen Eigenschaften von drei unterschiedlichen, selbst-organisierten, nanostrukturierten Ti1-xAlxN Beschichtungen untersucht. Die, durch chemische Gasphasenabscheidung synthetisierten, Beschichtungen besitzen eine äußerst einzigartige Mikrostruktur, welche sich als Resultat des selbstorganisierten Wachstums bildete. Die Mikrostruktur wird durch Transmissionselektronenmikroskopie charakterisiert und die Phasenzusammensetzung wird mittels Röntgendiffraktion evaluiert. Die Morphologie der ersten Beschichtung zeigt eine Abwechslung von kubischer Struktur in den Ti-reichen und Wurtzit in den Al-reichen Nitrid-Phasen, wohingegen die zweite Beschichtung komplett aus kubischen Phasen aufgebaut ist. In der dritten Probe wurden die Phasen abgewechselt, was zu einer Multilagen-Beschichtung führt in der sowohl kubische und Wurtzit Al-reiche Phasen vorhanden sind. Des Weiteren werden Härte und Indentationsmodulus mittels Nanoindentation charakterisiert. Für alle Proben werden E-Modul, Bruchspannung und Bruchzähigkeit mittels Biegebalkenexperimenten im Rasterelektronenmikroskop bestimmt. Diese Versuche wurden sowohl in in-plane Biegekraftorientierung, als auch in out-of-plane Biegekraftorientierung durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen herausragende mechanische Eigenschaften für alle drei Beschichtungen. Die Härte bewegt sich zwischen 26-37 GPa. Die Bruchspannung ist von den Phasen der nanostrukturierten Schichten abhängig und erreicht ein Maximum von 7.9 GPa in der Multilagen-Probe. Die Untersuchung des E-Moduls zeigt nahezu isotropes Verhalten für die monolithischen Schichten, wohingegen eine leichte Anisotropie in der Multilagen-Probe gefunden wurde. Für die Bruchzähigkeit wurde eine komplexe Abhängigkeit von der Schichtmorphologie festgestellt. Des Weiteren wurde, sowohl durch Untersuchen des Rissfortschritts in den Multilagen-Strukturen während der in-situ Experimente, als auch durch die ex-situ Analyse der Bruchflächen ein besseres Verständnis für das Bruchverhalten von nanostrukturierten Dünnschichten erreicht.

Details

Titel in ÜbersetzungMikromechanische Charakterisierung von selbstorganisierten Ti1-xAlxN Nanolamellen: Der Einfluss von Grenzflächenkoherenz und Phasenalterierung auf die Brucheigenschaften
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDipl.-Ing.
Betreuer/-in / Berater/-in
Datum der Bewilligung1 Juli 2016
StatusVeröffentlicht - 2016