Funktionsorientierte Mikrostrukturierung von Chromnitrid-Beschichtungen mittels hybrider PVD-Technologie

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Die vorliegende Forschungsarbeit behandelt die Entwicklung und Charakterisierung von Chromnitrid-Beschichtungen mittels reaktivem Magnetron Sputtern. Die werkstofftechnologische Charakterisierung unterschiedlicher Eigenschaftsprofile von mikrostrukturierten Chrom-nitrid-Dünnschichten wird hierbei genutzt, um die Einsatzmöglichkeiten auf dem Gebiet der (1) Hartstoffschichten für Verschleißwerkzeuge hinsichtlich der Störstelleneinebnung substratbedingter Fehlstellen an technischen Oberflächen, (2) Optischen Schichten hinsichtlich der farblichen, lichtabsorbierenden und emittierenden Eigenschaften und (3) Wärmeübergangsschichten für die Verbesserung des Wärmeübergangs beim Blasensieden zu untersuchen. Im ersten Teil der Arbeit wird ein Vergleich der Direct Current Magnetron Sputter (DCMS)- Technologie mit der weiterentwickelten High Power Impulse Magnetron Sputter (HiPIMS)- Technologie angestrebt. Hierfür wurden die Kausalzusammenhänge zwischen den Prozessparametern und den sich ausbildenden kristallinen Mikrostrukturen untersucht. Mittels röntgenographischer Phasenanalyse und Rasterelektronenmikroskopie wurden die kristallinen Vorzugsorientierungen, die Schichtmorphologie und die Textur der jeweiligen unterschiedlichen Beschichtungstypen bestimmt. Die Untersuchung der Abhängigkeit der Schichtmikrostruktur von den Prozessparametern zeigt, dass die Substrat-Biasspannung der ausschlaggebende Einflussfaktor auf die sich ausbildende Kristallgitterorientierung ist. Es konnten jedoch auch in Abhängigkeit der verwendeten DCMS- und der hybriden HiPIMS:DCMS-Technologie Unterschiede in der Dominanz kristalliner Ausprägungen der Beschichtungsstruktur festgestellt werden. Im zweiten Teil werden die Kausalzusammenhänge zwischen den technologischen Schichteigenschaften und der Schichtmikrostruktur dargestellt. Die Prozessparameter der verwendeten hybriden HiPIMS:DCMS-Technologie konnten so eingegrenzt werden, dass charakteristische Mikrostrukturen und damit verbundene mechanische, chemische und optische Schichteigenschaften reproduzierbar erzeugt werden können. Anhand dieser Ergebnisse wurden zwei mikrostrukturell unterschiedliche Chromnitrid-Beschichtungstypen Bias -50 V und Bias -100 V herausgestellt, die sich eigenschaftsspezifisch in ihrer Farbgebung, der Schichtdicke, der Haftfestigkeit, der Härte und dem Elastizitätsmodul sowie der Barriere-wirkung in korrosiven Medien unterscheiden. Durch die Abscheidung von Chromnitrid-Zweischichtsystemen wurde zudem untersucht, inwiefern sich die mechanischen, chemischen und optischen Schichteigenschaften der Einzelschichten vorteilhaft kombinieren lassen. Im dritten Teil der Arbeit erfolgt die Untersuchung und Diskussion der verschiedenen Beschichtungstypen hinsichtlich ihres Anwendungspotenzials für die genannten Einsatzgebiete (1) bis (3). Zusammenfassend ergibt sich ein weites Spektrum für die prozessparameterabhängige Funktionalisierung von mikrostrukturierten Chromnitrid-Dünnschichten mittels der hybriden HiPIMS:DCMS-Technologie. Anhand einer Konzeptstudie zur Entwicklung eines CrN Cr-Zweischichtsystems für die infrarotthermographische Messung des lokalen Wärmeübergangs beim Blasensieden wurde die Kombination unterschiedlicher technologischer Schichteigenschaften schließlich anwendungsspezifisch realisiert.