MAX-Phasen-Werkstoffe, wie das Cr2AlC, zeichnen sich durch die Kombination sowohl metallischer als auch keramischer Materialeigenschaften aus. Dazu zählen eine hohe chemische Stabilität in korrosiver und oxidierender Umgebung, sehr gute Schadenstoleranz, Steifigkeit, Thermoschockbeständigkeit, gute elektrische und thermische Leitfähigkeit, gute Plastizität und gute maschinelle Verarbeitbarkeit. Diese Kombination von Eigenschaften macht Cr2AlC für den Einsatz als Verschleißschutzbeschichtung in Gasturbinen interessant.
Die Herstellung von Cr2AlC-MAX-Phasen-Schichten kann mit dem dc-Arc-Verfahren erfolgen. Neben der Arc Verdampfung von Chrom und Aluminium kann der Kohlenstoff über ein Trägergas in einem reaktiven Beschichtungsprozess oder ebenfalls über die Arc-Verdampfung einer Grafitkathode eingebracht werden. In Folge des hohen Ionisierungsgrades des Beschichtungsplasmas, kommt es zu einer großen Variation der Schichteigenschaften in Abhängigkeit der Prozessparameter. Zusätzlich spielt die Beschichtungstemperatur eine wichtige Rolle die nach aktuellen Erkenntnissen mindestens 600°C betragen muss, damit die MAX-Phase ausgebildet wird.
Im Rahmen dieser Arbeit sollen Zusammenhänge zwischen der Beschichtungstemperatur und den Eigenschaften der Cr2AlC-Schichten herausgearbeitet werden. Dabei sind folgende Teilaufgaben zu lösen: Literaturrecherche zu MAX-Phasen-Werkstoffen insbesondere zu Cr2AlC und deren Herstellbarkeit und Strukturausbildungen, die Herstellung von Cr2AlC in zwei Varianten und unter Variation der Beschichtungstemperatur von 600°C bis 800°C (Variante 1: CrAl 50/50 at% + C2H2;Variante 2: Al + Cr + C), die Bestimmung der chemischen, mechanischen und strukturellen Eigenschaften der
Schichten (EDX, XRD, das Ableiten von Zusammenhängen zwischen den Herstellungsbedingungen und den
Eigenschaften der Schichten.
Inhaltsverzeichnis
- Inhaltsverzeichnis
- Abbildungsverzeichnis
- Tabellenverzeichnis
- Abkürzungs- und Symbolverzeichnis
- 1 Einleitung
- 2 Grundlagen
- 2.1 MAX-Phasen
- 2.1.1 Aufbau und Eigenschaften
- 2.1.2 Cr₂AIC
- 2.2 Arc-PVD-Verfahren
- 2.2.1 Beschichtungstechnologien
- 2.2.2 Das Vakuumbogenverfahren
- 2.2.3 Wechselwirkung mit Oberfläche
- 2.2.4 Schichtbildung
- 3 Experimentelles
- 3.1 Probenherstellung
- 3.2 Messverfahren
- 4 Ergebnisse und Auswertung
- 4.1 Chemische Zusammensetzung
- 4.2 XRD
- 4.3 Eindringhärte und Eindring Modul
- 4.4 Verschleiß
- 5 Fazit
- Anhang
- Literatur
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Die Arbeit befasst sich mit der Herstellung von Cr₂AIC-MAX-Phasen-Schichten mittels Arc-PVD und untersucht den Einfluss der Beschichtungstemperatur auf die Schichteigenschaften. Cr₂AIC-MAX-Phasen-Werkstoffe zeichnen sich durch eine Kombination von metallischen und keramischen Eigenschaften aus, die sie für den Einsatz als Verschleißschutzbeschichtung in Gasturbinen attraktiv machen.
- Herstellung von Cr₂AIC-MAX-Phasen-Schichten mittels Arc-PVD
- Einfluss der Beschichtungstemperatur auf die Schichteigenschaften
- Chemische Zusammensetzung, strukturelle Eigenschaften und mechanische Eigenschaften der Schichten
- Zusammenhang zwischen den Herstellungsbedingungen und den Eigenschaften der Schichten
- Literaturrecherche zu MAX-Phasen-Werkstoffen, insbesondere Cr₂AIC
Zusammenfassung der Kapitel
- Kapitel 2: Grundlagen: Dieses Kapitel liefert eine Einführung in die MAX-Phasen und das Arc-PVD-Verfahren. Es werden die relevanten Eigenschaften von Cr₂AIC sowie die verschiedenen Beschichtungstechnologien erläutert, wobei der Fokus auf dem Vakuumbogenverfahren liegt. Das Kapitel behandelt zudem die Wechselwirkung des Plasmas mit der Substratoberfläche und die Schichtbildung.
- Kapitel 3: Experimentelles: Dieses Kapitel beschreibt die experimentelle Vorgehensweise. Es wird die Probenherstellung und die verwendeten Messverfahren erläutert. Die Messverfahren umfassen die Untersuchung der chemischen Zusammensetzung, der strukturellen Eigenschaften und der mechanischen Eigenschaften der Schichten.
- Kapitel 4: Ergebnisse und Auswertung: Hier werden die Ergebnisse der durchgeführten Experimente vorgestellt und ausgewertet. Das Kapitel behandelt die chemische Zusammensetzung der Schichten, die Ergebnisse der XRD-Analyse, die Eindringhärte und den Eindringmodul sowie die Verschleißdaten. Die Ergebnisse werden in Bezug auf die Beschichtungstemperatur analysiert.
Schlüsselwörter
Cr₂AIC, MAX-Phasen, Arc-PVD, Beschichtung, Beschichtungstemperatur, chemische Zusammensetzung, XRD, Eindringhärte, Eindringmodul, Verschleiß, Schichteigenschaften, Gasturbinen, Verschleißschutzbeschichtung.
Häufig gestellte Fragen
Was sind Cr2AlC-MAX-Phasen-Werkstoffe?
Cr2AlC gehört zur Gruppe der MAX-Phasen, die sowohl metallische (Leitfähigkeit, Plastizität) als auch keramische Eigenschaften (Härte, thermische Stabilität) vereinen.
Warum ist Cr2AlC für Gasturbinen interessant?
Aufgrund seiner hohen chemischen Stabilität in korrosiver Umgebung, seiner Oxidationsbeständigkeit und seiner guten Thermoschockbeständigkeit eignet es sich hervorragend als Verschleißschutzbeschichtung.
Welchen Einfluss hat die Substrattemperatur auf die Beschichtung?
Aktuelle Erkenntnisse zeigen, dass eine Mindesttemperatur von etwa 600°C bis 800°C erforderlich ist, damit sich die kristalline Struktur der MAX-Phase überhaupt ausbildet.
Wie funktioniert das Arc-PVD-Verfahren?
Beim Vakuumbogenverfahren (Arc-PVD) werden die Metalle (Chrom, Aluminium) durch einen Lichtbogen verdampft und auf dem Substrat abgeschieden, wobei ein sehr hoher Ionisierungsgrad im Plasma erreicht wird.
Wie wird der Kohlenstoff in die Schicht eingebracht?
Der Kohlenstoff kann entweder reaktiv über ein Trägergas (z. B. C2H2) oder durch die Verdampfung einer Grafitkathode in den Prozess eingebracht werden.
- Citar trabajo
- Paul Hantsche (Autor), 2016, Zusammenhang zwischen der Substrattemperatur und den Schichteigenschaften der Cr2AlC-MAX-Phase hergestellt mittels Arc-PVD, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1168339
