Synergieeffekte von laserstrukturierten Metalloberflächen und neuartigen 2D-Materialien zur Steigerung der tribologischen Performance

Abstract

Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, die tribologischen Eigenschaften von laserstrukturierten Oberflächen mit verschiedenen Geometrien in Kombination mit MXene Beschichtungen zu evaluieren. Hierbei werden mithilfe des Airbrush-Verfahrens Festschmierstoffbeschichtungen aus Ti3C2Tx MXene auf zwei unterschiedlichen Substratmaterialien mit laserstrukturierten Oberflächen erstellt. Der Schwerpunkt liegt in der tribologischen Prüfung der laserstrukturierten Oberflächen, sowohl ohne als auch in Verbindung mit MXene-Beschichtungen. Ausgewählte Verschleißspuren werden mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) und energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) analysiert. Für die Bewertung des Schichtaufbaus und die Überprüfung, ob MXene die laserstrukturierten Oberflächen ausfüllen, wird bei einer Probe mittels Focused Ion Beam Microscopy (FIB) ein Abschnitt des Schichtquerschnitts freigelegt und mit dem Rasterelektronenmikroskop untersucht. Zudem wird für zwei Verschleißspuren eine Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) durchgeführt, um die Struktur-Eigenschafts-Beziehungen von laserstrukturierten Oberflächen in Kombination mit einer Ti3C2Tx-Beschichtung zu analysieren.Die gewonnenen Erkenntnisse sollen dazu beitragen, die Kombination von MXene und laserstrukturierten Oberflächen weiter zu erforschen und festzustellen, ob die Laserstrukturen als Reservoir für Festschmierstoffe dienen können, um Reibung und Verschleiß zu reduzieren.Die Ergebnisse des Reibungskoeffizienten für verschiedene Laserstrukturen auf Substratmaterialien aus Stahl (1.4301) und TiAl6V4 in Kombination mit MXene-Beschichtung zeigen eine deutliche Reduktion des Reibungskoeffizienten im Vergleich zu den Referenzmessungen. Bei Stahlsubstraten genügen wenige MXene-Partikel, um den Reibungskoeffizienten, um bis zu 80 Prozent zu reduzieren. Bei TiAl6V4 wird der Reibungskoeffizient im Vergleich zur polierten Referenz durch die Kombination aus Laserstrukturierung und MXene-Beschichtung um bis zu 50 Prozent verringert.

The aim of this thesis is to evaluate the tribological properties of laser structured surfaces with different patterns in combination with MXene coatings.The airbrush process is used to produce a solid lubricant coating of Ti3C2Tx MXenes on two different substrate materials with laser structured surfaces. One of the main focuses is the tribological testing of laser structured surfaces, both without and in combination with MXene coatings.Scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) are used to analyse selected wear tracks. Focused ion beam microscopy (FIB) is used to expose a portion of the cross-section of the sample to assess the layer structure and to verify that the laser-structured surfaces are filled with MXenes. In addition, transmission electron microscopy (TEM) is carried out on two selected wear tracks to analyse the structure-property relationships of the laser-structured surfaces in combination with the with Ti3C2Tx coating. The results should help to further explore the combination of MXenes and laser-structured surfaces, and whether the laser structures can act as a reservoir for solid lubricants to reduce friction and wear.The results of the coefficient of friction for different laser structures on substrate materials made of 1.4301 steel and TiAl6V4 in combination with MXene coating show a significant reduction in the coefficient of friction compared to the reference measurements. On steel substrates, a few MXene particles are enough to reduce the coefficient of friction by up to 80 per cent. For TiAl6V4, laser structuring combined with MXene coating is shown to reduce the coefficient of friction by up to 50 per cent compared to the polished reference.