Influence of defects on the phase stability of arc evaporated cubic titanium aluminum nitride and oxynitride coatings

Holzapfel, Damian Mauritius; Schneider, Jochen M. (Thesis advisor); Mitterer, Christian (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2022)
Buch, Doktorarbeit

In: Materials chemistry dissertation 39 (2022)
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022

Kurzfassung

Im ersten Teil dieser Arbeit wird der Einfluss von Makropartikeln auf die thermische Stabilität von Titanaluminiumnitrid (Ti,Al)N-Schutzschichten auf der Nanometerskala untersucht. Der Einbau von Makropartikeln in die wachsende Schutzschicht während einer Lichtbogenverdampfung gilt als ein wesentlicher Nachteil der Beschichtungstechnologie. Mit dieser Arbeit wird mittels Transmissionselektronen-mikroskopie (TEM) und dreidimensionaler Atomsondentomographie (APT) gezeigt, dass die thermische Stabilität von einem Makropartikel in der, von der Industrie oft verwendeten (Ti,Al)N-Schutzschicht die thermische Stabilität der gesamten Schicht bis zu 1000 °C nicht beeinflusst. Ursache dafür ist, dass die metallreichen Makropartikel eine höhere thermische Stabilität aufweisen, als die kubische (Ti,Al)N Matrix. Durch die Bildung einer selbstorganisierten kubischen TiN-Diffusionsbarriere, die in Form einer Schutzhülle um den Makropartikel entsteht, wird diese außergewöhnliche Stabilität des Makropartikels ermöglicht. Im zweiten Teil der Arbeit wird der Einfluss von Sauerstoff auf die thermische Stabilität von (Ti,Al)(O,N)-Schutzschichten untersucht. Die thermische Stabilität von Schutzschichten ist eine der leistungsdefinierenden Eigenschaften in Schneid- und Formanwendungen sowie der Energieumwandlung. Um den Einfluss von Sauerstoffeinlagerung auf die Hochtemperaturstabilität von (Ti,Al)N zu untersuchen, wurden mittels Lichtbogenverdampfung metastabile kubische (Ti,Al)N und (Ti,Al)(O,N) Schutzschichten erzeugt. Die Röntgenbeugung der (Ti,Al)N- und (Ti,Al)(O,N)-Schutzschichten zeigt, dass eine spinodale Entmischung bei etwa 800 °C beginnt. Die folgende Bildung des Wurtzit-Mischkristalles wird von 1000 °C auf 1300 °C für (Ti,Al)(O,N) im Vergleich zu (Ti,Al)N deutlich verzögert. Die Steigerung der thermischen Stabilität kann erklärt werden durch die Berechnung von Leerstellenbildungsenergien in Verbindung mit lokal aufgelöster chemischer Zusammensetzungsanalyse und Kalorimetriedaten: Energiedispersive Röntgenspektroskopie- und Atomsondentomographie-Daten zeigen eine geringere Sauerstofflöslichkeit in dem Wurtzit-Mischkristall im Vergleich zum kubisch geordneten (Ti,Al)(O,N). Daher ist es ersichtlich, dass für das Wachstum der Wurtzit-Phase, der AlN-reichen Phase im (Ti,Al)N, nur die atomare Mobilität von Ti und Al notwendig ist, während für (Ti,Al)(O,N) sowohl mobile Metallatome als auch mobile Nicht-Metallatome notwendig sind. Voraussetzung für die Mobilität auf dem Nicht-Metall-Untergitter ist die Bildung von Nicht-Metall-Vakanzen, welche höhere Temperaturen verlangen als Metall-Vakanzen. Ursache dafür sind die deutlich größeren Bildungsenergien von Nicht-Metall-Vakanzen im Vergleich zu Metall-Vakanzen. Diese Erkenntnis wird unterstützt durch Kalorimetriedaten. Diese zeigen, dass die notwendige Energie für die Bildung und zum Wachstum der Wurtzit-Phase in (Ti,Al)(O,N), die den hier beobachteten Stabilitätszuwachs hervorruft, circa doppelt so groß ist wie in (Ti,Al)N. Im Dritten und letzten Teil wird der Einfluss von Ionenbeschuss-induzierten Defekten auf die thermische Stabilität von (Ti,Al)N theoretisch und experimentell untersucht. Die Reduzierung des Stickstoff-Abscheidedruckes von 5,0 auf 0,5 Pa führt zu einem dreimal so großen Ionenfluss und einem Anstieg der mittleren Ionenenergie von 15 auf 30 eV, welcher den stressfreien Gitterparameter von 4,170 auf 4,206 Å erhöht, während die chemische Zusammensetzung Ti0.27Al0.21N0.52 unverändert bleibt. Die Zunahme im Gitterparameter um 0,9% wird durch Ionenbestrahlungs-induzierte Frenkel-Paare hervorgerufen, wie Dichtefunktionaltheorie (DFT)-Simulationen zeigen. Der Einfluss von Frenkel-Paaren auf die thermische Stabilität von metastabilem Ti0.27Al0.21N0.52 wurde mit Rastertransmissionselektronenmikroskopie, dynamischer Differenzkalorimetrie, Atom-sondentomographie und in-situ Pulverröntgenbeugung untersucht. Experimentell wird gezeigt, dass die durch Ionenfluss und Ionenenergie erzeugten Frenkel-Paare die thermische Stabilität erhöhen, weil die durch Al-Diffusion hervorgerufene Kristallisierung der Wurtzit-Phase verzögert wird. Dies kann mithilfe von DFT Vorhersagen erklärt werden, die eine Erhöhung der Aktivierungsenergie für Al-Diffusion von bis zu 142% vorhersagen. Daher wird die höhere thermische Stabilität durch eine bis hierher noch nicht beobachtete gehemmte Al-Mobilität von Frenkel-Paare hervorgerufen und verzögert damit die Bildung der Wurtzit-Phase.

Einrichtungen

• Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik [520000]
• Lehrstuhl für Werkstoffchemie [521110]