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Prozess-Struktur-Eigenschaftskorrelation kohlenstoffbasierter Hartstoffschichten

Schmid, Christoph (2021):
Prozess-Struktur-Eigenschaftskorrelation kohlenstoffbasierter Hartstoffschichten. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00017521,
[Ph.D. Thesis]

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Dissertation_CSchmid_2019.pdf
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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Prozess-Struktur-Eigenschaftskorrelation kohlenstoffbasierter Hartstoffschichten
Language: German
Abstract:

Basierend auf Untersuchungen zur systematischen Entwicklung amorpher Kohlenstoffschichten für die Blechmassivumformung mittels Methoden der statistischen Versuchsplanung erfolgte in dieser Arbeit eine differenzierte und eingehende Analyse der Prozess-Struktur-Eigenschaftskorrelation zwischen ausgewählten Parametern des Beschichtungsprozesses und wesentlichen Eigenschaften von a-C:H:W-Schichten. Hierbei stand die detaillierte Betrachtung der Zusammenhänge zwischen Beschichtungsprozess, Schichtstruktur und resultierenden Eigenschaften im Vordergrund: so wurden die Schichtvarianten hinsichtlich ihres strukturellen Aufbaus, ihrer mechanischen Eigenschaften, Eigenspannungen und Bruchzähigkeit auf mikroskopischer Ebene analysiert. Neben etablierten Charakterisierungsmethoden wurden hierzu vor allem nicht standardisierte, moderne Methoden für die Eigenschaftsbestimmung dünner Schichten eingesetzt. Diese wurden an Referenzschichten adaptiert, ihre Anwendbarkeit überprüft und bei Bedarf weiterentwickelt. Die betrachteten Methoden dienen zur direkten Korrelation der mechanischen Eigenschaften mit der chemischen Zusammensetzung von mehrlagigen Schichtsystemen, zur Bestimmung des Eigenspannungszustands dünner amorpher Schichten sowie zur Analyse des Bruchverhaltens. Genutzt wurden die Charakterisierungsmethoden anschließend zur differenzierten Analyse der Prozess-Struktur-Eigenschaftskorrelation zwischen ausgewählten Prozessparametern und wesentlichen Eigenschaften von a-C:H:W-Schichten. Zur gezielten Darstellung der Schichtvarianten wurden die Prozessparameter Biasspannung und Ethinfluss während des reaktiven Magnetronsputterprozesses anhand eines zuvor abgeleiteten Regressionsmodells variiert. Die Parameterkombinationen der betrachteten Schichtvarianten wurden derart gewählt, dass sich je zwei Schichten mit einer Härte von 10 GPa sowie 16 GPa ergaben, wobei der Anstieg der Härte über eine Variation der Biasspannung oder des Ethninflusses realisiert wurde. Im Gegensatz zu den meist qualitativen, makroskopischen Charakterisierungsmethoden im industriellen Umfeld wurden die unterschiedlichen Schichteigenschaften im Rahmen dieser Arbeit quantitativ auf mikroskopischer Größenskala bestimmt. Neben der Erweiterung des Kenntnisstands bezüglich der Prozess-Struktur-Eigenschaftskorrelation amorpher Kohlenstoffschichten, dienen die Ergebnisse der Arbeit als Orientierung, inwieweit sich wesentliche Schichteigenschaften unabhängig voneinander einstellen lassen, welche Prozessführung und Abscheideparameter gewählt werden müssen, um ein gewünschtes Eigenschaftsprofil der Schichtsysteme zu erzielen, und leisten somit einen Beitrag in Richtung „maßgeschneiderte Beschichtungen“.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Based on the systematic development of amorphous carbon coatings for sheet-bulk metal forming using design of experiments, a differentiated and detailed analysis of the process-structure-property relation between selected process parameters and crucial properties of a-C:H:W coatings was performed within the scope of this thesis. The focus was on the detailed investigation of the relations between the coating process, the coating structure and the resulting properties: the coatings were analyzed with regard to their structure, their mechanical properties, residual stress and fracture toughness. For that, not only established characterization methods but also new methods for determining the properties of thin films were used, adapted, and further developed. This includes methods suitable for resolving the direct correlation between the mechanical properties and the chemical composition of multilayer systems, for the determination of the residual stress levels of thin amorphous coatings, and for the analysis of the fracture behavior. These methods were then used for a profound and detailed analysis of the process-structure-property relation between the deposition process and crucial properties of a C:H:W coatings. The parameters bias voltage and ethine flow of the used reactive magnetron sputter process were varied based on a previously determined regression model. The parameter combinations of the deposited coatings were selected in such a way that two coatings each with a hardness of 10 GPa and 16 GPa were obtained. The increase in hardness was achieved by the variation of the bias voltage or the ethine flow rate. In contrast to the mostly qualitative, macroscopic characterization methods used in industries, the different coating properties were determined quantitatively on a microscopic scale within the scope of this work. In addition to broadening the knowledge about the process-structure-property relationship of amorphous carbon coatings, the results of this work can serve as orientation for the deposition of coatings with defined property profiles and may finally contribute to the development of "tailored coatings".

English
Place of Publication: Darmstadt
Collation: VIII, 176 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Physical Metallurgy
Date Deposited: 23 Apr 2021 06:54
Last Modified: 23 Apr 2021 06:54
DOI: 10.26083/tuprints-00017521
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-175218
Referees: Durst, Prof. Dr. Karsten and Göken, Prof. Dr. Mathias
Refereed: 19 May 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/17521
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