MAX-Phasen-Werkstoffe, wie das Cr2AlC, zeichnen sich durch die Kombination sowohl metallischer als auch keramischer Materialeigenschaften aus. Dazu zählen eine hohe chemische Stabilität in korrosiver und oxidierender Umgebung, sehr gute Schadenstoleranz, Steifigkeit, Thermoschockbeständigkeit, gute elektrische und thermische Leitfähigkeit, gute Plastizität und gute maschinelle Verarbeitbarkeit. Diese Kombination von Eigenschaften macht Cr2AlC für den Einsatz als Verschleißschutzbeschichtung in Gasturbinen interessant.
Die Herstellung von Cr2AlC-MAX-Phasen-Schichten kann mit dem dc-Arc-Verfahren erfolgen. Neben der Arc Verdampfung von Chrom und Aluminium kann der Kohlenstoff über ein Trägergas in einem reaktiven Beschichtungsprozess oder ebenfalls über die Arc-Verdampfung einer Grafitkathode eingebracht werden. In Folge des hohen Ionisierungsgrades des Beschichtungsplasmas, kommt es zu einer großen Variation der Schichteigenschaften in Abhängigkeit der Prozessparameter. Zusätzlich spielt die Beschichtungstemperatur eine wichtige Rolle die nach aktuellen Erkenntnissen mindestens 600°C betragen muss, damit die MAX-Phase ausgebildet wird.
Im Rahmen dieser Arbeit sollen Zusammenhänge zwischen der Beschichtungstemperatur und den Eigenschaften der Cr2AlC-Schichten herausgearbeitet werden. Dabei sind folgende Teilaufgaben zu lösen: Literaturrecherche zu MAX-Phasen-Werkstoffen insbesondere zu Cr2AlC und deren Herstellbarkeit und Strukturausbildungen, die Herstellung von Cr2AlC in zwei Varianten und unter Variation der Beschichtungstemperatur von 600°C bis 800°C (Variante 1: CrAl 50/50 at% + C2H2;Variante 2: Al + Cr + C), die Bestimmung der chemischen, mechanischen und strukturellen Eigenschaften der
Schichten (EDX, XRD, das Ableiten von Zusammenhängen zwischen den Herstellungsbedingungen und den
Eigenschaften der Schichten.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Grundlagen
2.1 MAX-Phasen
2.1.1 Aufbau und Eigenschaften
2.1.2 Cr2AlC
2.2 Arc-PVD-Verfahren
2.2.1 Beschichtungstechnologien
2.2.2 Das Vakuumbogenverfahren
2.2.3 Wechselwirkung mit Oberfläche
2.2.4 Schichtbildung
3 Experimentelles
3.1 Probenherstellung
3.2 Messverfahren
4 Ergebnisse und Auswertung
4.1 Chemische Zusammensetzung
4.2 XRD
4.3 Eindringhärte und EindringModul
4.4 Verschleiß
5 Fazit
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit untersucht den Zusammenhang zwischen der Beschichtungstemperatur und den resultierenden Eigenschaften von Cr2AlC-MAX-Phasen-Schichten, die mittels Arc-PVD hergestellt wurden, um deren Eignung als Verschleißschutz in Gasturbinen zu evaluieren.
- Analyse der Herstellbarkeit von Cr2AlC-Schichten durch das Arc-PVD-Verfahren
- Einfluss der Substrattemperatur (600°C bis 800°C) auf die Phasenausbildung
- Charakterisierung der chemischen, strukturellen und mechanischen Schichteigenschaften
- Untersuchung der Verschleißbeständigkeit unter Variation der Prozessparameter
Auszug aus dem Buch
2.2.2 Das Vakuumbogenverfahren
Für die Energiezufuhr gibt es die verschiedene Möglichkeiten. Das Arc-PVD Verfahren oder auch Vakuumbogenentladungsverdampfen nutzt eine elektrische Entladung zwischen einer positiv gepolten Anode und einer negativ gepolten Kathode. Aus theoretischer Sicht wäre es möglich beide Arten von Elektroden einzeln zu verdampfen. Allerdings hat sich die Kathode in der technischen Anwendung als sogenanntes Target durchgesetzt [6]. Wichtige Grundvorausetzung dafür ist die gute elektrische Leitfähigkeit des verwendeten Stoffes.
Um den Prozess zu initialisieren wird zwischen dem Verdampfer (Kathode) und der geerdeten Kammerwand (Anode) mittels einer beweglichen Zündelektrode, welche auch Trigger genannt wird, durch Kontaktieren ein Lichtbogen gezündet [7]. Nach der Zündung, im laufenden Prozess werden niedrige Spannungen (ca. 20 V) mit hohen Stromstärken (ca. 100 A) verwendet [8]. Im Vakuum entlädt sich der Lichtbogen allerdings nicht über die ganze Kathode sondern nur in einem einige µm großen Brennfleck [9]. Dieses Phänomen wird als Kathodenfleck bezeichnet.
Die enorme Leistungsdichte von 109 W/cm2 in der Entladung führt zum schlagartigen Verdampfen des Targetmaterials [9]. Durch den hohen Energieeintrag wird das Gas bis zu einem Grad von 20 bis 100 % ionisiert und das entstandene Plasma beschleunigt auf einige 104 bis 105 m/s [6]. An den Rändern kommt es auch vereinzelt zum unerwünschten Herauslösen flüssiger Tropfen (siehe Abbildung 4) von der Größe einiger 10 nm bis einigen 10 µm [6]. Die sogenannten Droplets werden zum Teil in die aufgebaute Schicht integriert [9]. Die Bildung dieser unerwünschten Nebenprodukte ist abhängig von der Schmelztemperatur des Kathodenwerkstoffes, umso höher diese liegt desto weniger Droplets werden gebildet [8].
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Beschreibt die steigende Bedeutung von MAX-Phasen als Werkstoffgruppe für Verschleißschutzbeschichtungen und definiert die wissenschaftliche Problemstellung hinsichtlich der phasenreinen Herstellbarkeit.
2 Grundlagen: Erläutert die Materialeigenschaften von MAX-Phasen, insbesondere von Cr2AlC, sowie die physikalischen Prinzipien des Arc-PVD-Beschichtungsverfahrens.
3 Experimentelles: Beschreibt den Versuchsaufbau der Probenherstellung in zwei Versuchsreihen sowie die angewandten Messverfahren zur Charakterisierung der Schichten.
4 Ergebnisse und Auswertung: Analysiert die chemische Zusammensetzung, die kristallographischen Phasen mittels XRD, die Härte und das Verschleißverhalten der erzeugten Schichten.
5 Fazit: Führt die Ergebnisse zusammen und bewertet den Einfluss der Substrattemperatur sowie die Notwendigkeit optimierter Prozessparameter für zukünftige Untersuchungen.
Schlüsselwörter
MAX-Phasen, Cr2AlC, Arc-PVD, Vakuumbogenverfahren, Schichteigenschaften, Substrattemperatur, Verschleißschutz, Phasenzusammensetzung, Röntgendiffraktometrie, Eindringhärte, Schichtwachstum, Inconel 718, Beschichtungstechnologien, Prozessparameter, Dünnschicht.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der Untersuchung von Cr2AlC-MAX-Phasen-Schichten, die durch das Arc-PVD-Verfahren hergestellt wurden, unter besonderer Berücksichtigung des Einflusses der Substrattemperatur.
Welche Themenfelder sind zentral?
Zentrale Themen sind die Werkstoffkunde von MAX-Phasen, die Dünnschichttechnologie mittels Vakuumbogenverdampfung sowie die mechanische und strukturelle Charakterisierung von Beschichtungen.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das Ziel ist es, Zusammenhänge zwischen der Beschichtungstemperatur und den chemischen, mechanischen sowie strukturellen Eigenschaften der Cr2AlC-Schichten herauszuarbeiten.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es werden zwei experimentelle Versuchsreihen mit unterschiedlichen Parametern durchgeführt, die anschließend mittels EDX (chemische Analyse), XRD (Strukturanalyse), Eindringprüfung und Tribometer-Verschleißtests ausgewertet werden.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die theoretischen Grundlagen des Vakuumbogenverfahrens, die experimentelle Umsetzung der Probenherstellung und die detaillierte Auswertung der Messergebnisse.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Schlüsselwörter sind MAX-Phasen, Arc-PVD, Cr2AlC, Substrattemperatur und Verschleißbeständigkeit.
Ab welcher Temperatur konnte die Cr2AlC-Phase erfolgreich nachgewiesen werden?
In der ersten Versuchsreihe konnte nachgewiesen werden, dass die Cr2AlC-Phase ab einer Substrattemperatur von 600 °C hergestellt werden kann.
Warum war eine Untersuchung der Verschleißfestigkeit der ersten Versuchsreihe schwierig?
Aufgrund der vergleichsweise weichen Substrate und der Porosität der Schichten drang die Testnadel bis in das Substrat ein, was eine normgerechte Bestimmung der Verschleißfestigkeit der Schicht allein verhinderte.
- Citar trabajo
- Paul Hantsche (Autor), 2016, Zusammenhang zwischen der Substrattemperatur und den Schichteigenschaften der Cr2AlC-MAX-Phase hergestellt mittels Arc-PVD, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1168339
