Properties enhancement of Ti-Al-N through Ta alloying and architectural design

Abstract

Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Einfluss von Ta auf die Eigenschaften monolithischer Ti1-x-yAlxTayN Schichten. Das derart gewonnene Wissen wird genutzt, um die Konstruktion eines Ti1-x-yAlxTayN/Al1-xCrxN Mehrlagensystems zu realisieren. Für lange Zeit war Ti1-xAlxN aufgrund seiner exzellenten mechanischen Eigenschaften die vorrangig genutzte Schutzschicht. In den letzten Jahren wurden allerdings große Fortschritte bezüglich der weiteren Eigenschaftsverbesserung durch die Zugabe von Übergangsmetallen erzielt. Insbesondere Ta erwies sich als sinnvolle Möglichkeit, Härte, thermische Stabilität und Hochtemperaturoxidationsbeständigkeit im Vergleich zu Ti1-xAlxN zu erhöhen. Da es jedoch keine Untersuchungen über ein breiteres Spektrum an Ta-Gehalten gibt, analysieren wir in dieser Arbeit Ti1-x-yAlxTayN Schichten mit Gehalten von 0 bis etwa 30 at% auf dem Metalluntergitter. Diese monolithischen Schichten werden bezüglich Härte und Elastizitätsmodul, Bruchzähigkeit, thermischer Stabilität sowie Hochtemperaturoxidationsbeständigkeit untersucht. Dafür nutzen wir unter anderem Rasterelektronenmikroskopie, Nanoindentierung, Röngtendiffraktometrie und Mikro-Cantilever Biegeversuche. Hierbei konnte gezeigt werden, dass manche dieser Eigenschaften direkt proportional mit dem Ta-Gehalt ansteigen, während andere Eigenschaften einen Höchstwert bei mittleren Gehalten zeigen. Die vielversprechendsten Schichtsysteme wurden herangezogen, um Ti1-x-yAlxTayN/Al1-xCrxN Schichten in verschiedenen Multilagenstrukturen zu kreieren. Diese wurden mit den monolithischen Schichtsystemen verglichen und hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften und Oxidationsbeständigkeit bei 900 °C untersucht. Für diese Untersuchung wurde Al1-xCrxN als zusätzliche Komponente in der Mehrlagenstruktur gewählt, da es, obwohl seine mechanischen Eigenschaften hinter denen von Ti1-xAlxN zurückbleiben, über eine bessere Hochtemperaturbeständigkeit verfügt. Hierbei konnten wir beweisen, dass für ein Mehrlagensystem die mechanischen Eigenschaften jene der monolithischen Schichten teils deutlich übertreffen. Des Weiteren reicht bereits ein Volumsanteil von etwa einem Drittel Al1-xCrxN an der gesamten Mehrlagenschicht aus, um die Hochtemperaturoxidationsbeständigkeit nahezu jener von reinem Al1-xCrxN gleichzusetzen. Zusätzlich konnten wir zeigen, dass die Abscheidung dieser Schichten mit Schichtdicken von über 20 µm möglich ist.

This work discusses the influence of Ta in Ti1-x-yAlxTayN coatings as well as the application of the most promising Ti1-x-yAlxTayN composition as a building block in Ti1-x-yAlxTayN/Al1-xCrxN multilayer films. Ti1-xAlxN is among the most widely used protective coatings. In recent years, it has been shown that the addition of a transition metal often enhances the beneficial properties of a coating. Especially the alloying element Ta further increases the thermal stability, the mechanical properties, as well as the high temperature oxidation resistance of Ti1-xAlxN. However, since there are no systematic studies regarding the influence of Ta in moderate amounts (up to ~30 at% on the metal sublattice) in arc evaporated Ti1-x-yAlxTayN, this work not only investigates the aforementioned properties, but additionally the fracture toughness. Therefore, we deposited coatings with Ta contents ranging from 0 to 28 at% at the metal sublattice. The films were analysed using scanning electron microscopy, nanoindentation, X-ray diffraction, as well as micro-cantilever deflection experiments. After the in-depth analysis of Ti1-x-yAlxTayN coatings, we selected two specific chemical compositions, with Ta contents of 7 at% and 15 at% on the metal sublattice, to combine them in a multilayer arrangement with Al1-xCrxN. Al1-xCrxN is known as an excellent high temperature oxidation resistant coating. The combination with Ti1-x-yAlxTayN, which exhibits better mechanical properties as compared to Ti1-xAlxN, in a nanostructured multilayer is thought to combine the preferential properties of both coating types. In fact, the multilayer shows an enhanced hardness, a higher indentation modulus, and lower residual stresses than the monolithic constituents. Furthermore, the high temperature oxidation resistance at 900 °C is nearly as good as those of Al1-xCrxN. Additionally, we could show, that it is possible to deposit multilayer coatings with thicknesses of above 20 µm, which further increases the protection of the underlying substrate.