Phase Stability and Mechanical Properties of Yttrium alloyed Ti-Al-N Thin Films

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDiplomarbeit

Autoren

Abstract

Im Bereich der spanabhebenden Fertigung ist die Verwendung von beschichteten Werkzeugen unumgänglich. Diese Schutzschichten erhöhen die Lebensdauer der Werkzeuge durch verbesserte Oberflächeneigenschaften, wie Härte oder Verschleißfestigkeit. Eine ständige Weiterentwicklung und Beschleunigung von Arbeitsabläufen in der Fertigung stellt auch erhöhte Anforderungen an die Beschichtungen dar. Diese gesteigerten Beanspruchungen drücken sich insbesondere durch höhere Temperaturen aus, welche eine verbesserte thermische Beständigkeit der Schutzschichten erfordern. Ti(1-x)Al(x)N -Schichten besitzen charakteristischerweise auch noch bei hohen Temperaturen (≈ 1000°C) gute mechanische Festigkeit (≈ 35GPa). Eine Möglichkeit zur weiteren Verbesserung dieser Eigenschaften ist das Zulegieren von 4d-Übergangsmetallen, wie z.B. Yttrium (Y). Yttrium besitzt einen hohen Schmelzpunkt, eine starke Affinität zu Sauerstoff sowie ein 4d Elektron, welches in Verbindung mit Stickstoff zur Bildung des kubischen YN führt. Dieses Eigenschaftsprofil sowie ab initio Berechnungen lassen auf eine Erhöhung der thermischen Beständigkeit sowie der Oxidationsbeständigkeit durch Y in Ti(1-x)Al(x)N -Schichten schließen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedenste Ti(1-x-y)Al(x)Y(y)N-Schichten mit Hilfe der plasmaunterstützten reaktiven Magnetronkathoden-Zerstäubung (Sputtern) abgeschieden. Durch eine große Variation an chemischen Zusammensetzungen soll der Übergang kubisch/wurtzit im tärneren Phasensystem eindeutig erforscht werden. Des Weiteren war der Einfluss der chemischen Zusammensetzung sowie der Phasenanteile auf die thermische Stabilität ein wichtiger Aspekt. In einem ersten Versuchsschritt wurden mit Hilfe von vier Sputtertargets (Ti/Al-Gehalt konstant=1, Y= 0,2,4,8 at.%) und einer definierten Anzahl von Ti-Pellets (0,4,8,12,16) auf den Targetmaterialien 16 verschiedene Schichten entwickelt. Diese Schichten wurden bezüglich ihrer Struktur und mechanischen Kennwerten charakterisiert. Es hat sich gezeigt, dass der vorliegende übersättigte Mischkristall mit zunehmenden Titan- und abnehmenden Yttriumgehalt kubische Struktur annimmt. In einem zweiten Schritt wurden nun bestimmte Beschichtungen ausgewählt und verschiedenen Glühbehandlungen in Vakuumatmosphäre und an Luft durchgeführt. Alle geglühten Schichten wiesen eine Steigerung der Härte mit zunehmender Temperatur auf. Dieser "age-hardening" Effekt konnte bis zu einer Temperatur von 1100°C beobachtet werden. Die Erhöhung der Härte betrug ca. 3GPa auf maximal ≈ 33GPa. Eine Ausscheidung von AlN in Wurtzitstruktur wurde ab ≈ 1200°C festgestellt. Vergleichende Messungen des spezifischen Oberflächenwiderstands der geglühten Proben korrelierten mit den Ergebnissen aus der Strukturanalyse sowie mit den mechanischen Kennwerten. Die Beschichtung mit der Zusammensetzung Ti(0.51)Al(0.47)Y(0.02)N wies beste mechanische Kennwerte (H ≈ 32GPa bei T=1200°C sowie H ≈ 28GPa bei T=1400°C) nach der Vakuumglühung als auch exzellente Beständigkeit gegenüber Oxidation bei T≈850°C für 20h an Luft auf. Weniger als 20% der ~3.5µm dicken Nitridschicht wurde zu Al2O3 und Ti-reichen Oxiden umgesetzt. Die Ergebnisse dieser Studie erweitern das Verständnis der Wirkung von 4d-Übergangsmetallen auf Ti(1-x)Al(x)N-Schichten und zeigen gleichzeitig auf, welche Zusammensetzungen von Ti(1-x-y)Al(x)Y(y)N für mechanisch und thermisch beanspruchte Prozesse das größte Potential besitzen.

Details

Titel in ÜbersetzungPhasenstabilität und mechanische Eigenschaften von Yttrium legierten Ti-Al-N Schichten
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDipl.-Ing.
Betreuer/-in / Berater/-in
Datum der Bewilligung29 Juni 2012
StatusVeröffentlicht - 2012