Hard (AlTi)N coatings produced by high-power impulse magnetron sputtering (HiPIMS) with high-temperature resistance - influence of Cr and Si additive elements

Abstract

This thesis presents experimental and theoretical research on nitride coatings, focusing on their morphology, nanostructure and mechanical properties. The chemical composition of the coatings was optimized through a combination of HiPIMS and dcMS processes. Coatings with this co-sputtering configuration demonstrated lower surface roughness and higher tribological properties compared to coatings deposited by CAE. Moreover, the study found that the choice of coating process parameters led to a transition in residual stresses from tensile to compressive, resulting from increased ion impact under higher energetic deposition condition. The influence of Cr and Si additive elements on the TiAlN systems was also investigated. As-deposited TiAlSiN demonstrated superior hardness 35GPa and Higher H3/E2 ratio of 0.171GPa compared to TiAlCrN due to the formation of a nanocrystalline structure resulting from the introduction of Si. At 950°C, both TiAlCrN and TiAlCrSiN coatings possess multiscale oxide layers, with the oxide thickness increasing regularly over time and its growth kinetics is governed by the inward diffusion of oxygen and outward anionic diffusion of Al, Ti and Cr. TiAlSiN coatings displayed better oxidation resistance than the previous coating systems. A protective oxide layer is composed of mixed oxide Al2O3 near the surface and TiO2 near the nitride, thanks to the presence of Si which limits the diffusion of Ti to the surface and hinders the formation of near-surface TiO2.

Diese Arbeit präsentiert experimentelle und theoretische Forschung zu Nitrid-Beschichtungen und konzentriert sich auf deren Morphologie, Nanostruktur und mechanische Eigenschaften. Die chemische Zusammensetzung der Beschichtungen wurde durch eine Kombination von HiPIMS- und dcMS-Verfahren optimiert. Beschichtungen mit dieser Co-Sputter-Konfiguration zeigten im Vergleich zu Beschichtungen, die mittels CAE abgeschieden wurden, eine geringere Oberflächenrauheit und bessere tribologische Eigenschaften. Darüber hinaus ergab die Studie, dass die Wahl der Beschichtungsprozessparameter zu einem Übergang von Zug- zu Druckspannungen führte, der auf erhöhten Ionenstößen unter Bedingungen höherer Energieeinspeisung beruhte. Der Einfluss der Zusatzelemente Cr und Si auf die TiAlN-Systeme wurde ebenfalls untersucht. TiAlSiN im abgeschiedenen Zustand zeigte eine überlegene Härte von 35 GPa und ein höheres H3/E2-Verhältnis von 0,171 GPa im Vergleich zu TiAlCrN aufgrund der Bildung einer nanokristallinen Struktur, die auf die Einführung von Si zurückzuführen ist. Bei 950°C besitzen sowohl TiAlCrN- als auch TiAlCrSiN-Beschichtungen mehrskalige Oxidschichten, wobei die Oxiddicke im Laufe der Zeit regelmäßig zunimmt und ihre Wachstumskinetik durch die einwärts gerichtete Diffusion von Sauerstoff und die auswärts gerichtete anionische Diffusion von Al, Ti und Cr gesteuert wird. TiAlSiN-Beschichtungen zeigten eine bessere Oxidationsbeständigkeit als die vorherigen Beschichtungssysteme. Eine schützende Oxidschicht besteht aus einer gemischten Al2O3-Oxidzone in der Nähe der Oberfläche und TiO2 in der Nähe des Nitrids, dank der Anwesenheit von Si, das die Diffusion von Ti zur Oberfläche begrenzt und die Bildung von TiO2 in der Nähe der Oberfläche behindert.