Transmissionselektronenmikroskopische Untersuchungen von undotierten und Si-dotierten Al2O3-Beschichtungen und von Al2O3-Faser-Matrix-Verbundwerkstoffen
Müller, Merlin Garde Jana - Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (2015)
Im Rahmen dieser Arbeit wurde zum einen der Einfluss von Silizium (Si) als Dotierelement auf die thermische Stabilität von Al2O3-Dünnschichten mit Hilfe der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) untersucht.
Die Dünnschichten wurden hierbei mittels Filtered Cathodic Arc (FCA) und mittels Magnetron Sputter Ion Plating (MSIP) hergestellt. Es wurden amorphe und kristalline FCA-Al2O3-Schichten auf Si-Wafer und kristalline MSIP-Schichten auf Si-Wafer und auf Hartmetallwendeschneidplatten abgeschieden. Zur Ermittlung der thermischen Stabilität der Schichten wurden diese vor den TEM-Untersuchungen auf verschiedene Temperaturen aufgeheizt. Zum anderen wurden MSIP-Al2O3-Dünnschichten auf Hartmetallwendeschneidplatten nach dem Einsatz in Zerspanversuchen im TEM untersucht. Darüber hinaus wurde so genanntes WHIPOX-Material untersucht. WHIPOX ist ein Al2O3-Faser-Matrix-Verbundwerkstoff mit einer porösen Matrix.
Die TEM-Untersuchungen der Al2O3-Schichten haben gezeigt, dass die Dotierung mit Si sowohl die amorphe als auch die gamma-Al2O3-Phase stabilisiert. Durch die Si-Dotierung der amorphen FCA-Al2O3-Schicht wurde die Kristallisationstemperatur zu mindestens 290 °C höheren Temperaturen verschoben. Außerdem haben Untersuchungen der aufgeheizten, amorphen Proben gezeigt, dass die Si-Dotierung die thermische Stabilität der gamma-Phase um mindestens 100 °C erhöht. Die poröse, nanokristalline Morphologie der kristallinen FCA-Al2O3-Schicht wurde durch die Si-Dotierung im Vergleich zur undotierten Schicht auf eine mindestens 300 °C höhere Temperatur stabilisiert. Durch die Si-Dotierung der kristallinen MSIP-Al2O3-Schicht auf Si-Wafer hat sich zum einen die thermische Stabilität der gamma-Phase um 100 °C erhöht und zum anderen die alpha-Al2O3-Bildungstemperatur zu 250 °C höheren Temperaturen verschoben. Darüber hinaus beeinflusste das Si die Phasenumwandlungssequenz. Bei der undotierten MSIP-Al2O3-Schicht wurde eine direkte Umwandlung der gamma- in die alpha-Phase beobachtet, wohingegen sich in der Si-dotierten Schicht zunächst theta- vor alpha-Al2O3 ausgebildet hat. Durch die Verwendung eines anderen Substrates, eine Hartmetallwendeschneidplatte, die zur Haftvermittlung mit einer (Ti,Al)N-Schicht beschichtet war, konnte das Schichtsystem in Zerspanversuchen eingesetzt werden.
Allerdings zeigten Untersuchungen von aufgeheizten Proben, dass die (Ti,Al)N-Schicht die Stabilität der gamma-Phase reduziert. Die Bildung der alpha-Phase ging dabei mit dem Zerfall des metastabilen, kubischen (Ti,Al)N-Mischkristalls in die kubische TiN- und die hexagonale AlN-Phase, der Oxidation der (Ti,Al)N-Schicht und der Diffusion von Ti in die Al2O3-Schicht einher. Die thermische Stabilität der gamma-Al2O3-Schicht ließ sich sowohl durch das Aufheizen im Vakuum anstatt in Umgebungsatmosphäre als auch durch Si-Dotierung der Al2O3- und der (Ti,Al)N-Schicht erhöhen. Die Ergebnisse lassen vermuten, dass Si nicht in das gamma-Al2O3-Gitter eingebaut wird, sondern sich als amorphes Si oder SiO2 auf den Korngrenzen der gamma-Al2O3-Nanokristalle anlagert und dadurch Diffusionsvorgänge und somit Kristallwachstumsprozesse reduziert. Die Si-Dotierung stabilisiert die gamma-Phase vermutlich dadurch, dass sie die Kristallitgröße auf den Nanometerbereich stabilisiert. Im Fall des Si-dotierten Al2O3/(Ti,Al)N-Schichtsystems kann die Stabilisierung der (Ti,Al)N-Schicht durch die Si-Dotierung eine weitere Erklärung für die Stabilisierung der gamma-Phase sein. Des Weiteren kann die amorphisierende Wirkung der Si-Dotierung, die bei allen Al2O3-Schichten beobachtet wurde, ein Grund für die geringere Oxidation der (Ti,Al)N-Schicht und somit auch für die höhere Stabilität des Si-dotierten Al2O3/(Ti,Al)N-Schichtsystems sein, da mit einem zunehmenden amorphen Anteil in der Schicht weniger Korngrenzen und somit potentielle Diffusionspfade für O, Al und Ti vorliegen.
Die Untersuchungen des undotierten MSIP-gamma-Al2O3/(Ti,Al)N-Schichtsystems nach dem Einsatz in Zerspanversuchen eines Einsatzstahls, zeigten, dass die Beschichtung der thermomechanischen Belastung bei den gewählten Zerspanparametern widerstehen können. Es wurde weder das Abplatzen einer Schicht noch eine Phasenumwandlung festgestellt. Die Untersuchung des bei 1200 °C gesinterten WHIPOX-Materials hat das Vorliegen von homogen in der porösen Al2O3-Matrix verteilten, Y-stabilisierten ZrO2-Partikeln mit maximalen Durchmessern von 100 nm gezeigt. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass die ZrO2-Partikel, die bei der Aufbereitung des Matrixmaterials in das Material eingebracht wurden, sich sowohl zwischen Matrixkörnern als auch zwischen Faser- und Matrixkörnern befinden und somit den Sintergrad beeinflussen können. Diese Vermutung wurde dadurch bestätigt, dass ZrO2-frei hergestellte Proben einen gesteigerten Sintergrad im Vergleich zu den ZrO2-haltigen aufwiesen. Darüber hinaus führte die Erhöhung der Sintertemperatur auf 1300 °C zu einer gesteigerten Sinteraktivität.