Schutzbeschichtungen im Bereich von Hochleistungskomponenten erfordern eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen mechanische Einwirkungen. Diese Einwirkungen werden typischerweise in zwei große Gruppen eingeteilt – mechanische Einwirkungen im Bereich der Streckgrenze (oder darüber) und zyklische Belastungen weit unterhalb eines kritischen Spannungszustands (wichtig für Ermüdungsmechanismen). Im Rahmen dieses Projekts untersuchen wir das erste Belastungsszenario, d. h. mechanische Einwirkungen mit hohem Belastungsniveau, mit besonderem Fokus auf Erosion (Domestic Object Damage) genauer. Für erosionsbeständige Beschichtungsmaterialien sind verschiedene Beschichtungsparameter wie Härte, Elastizitätsmodul oder Bruchzähigkeit (um nur die wichtigsten zu nennen) relevant, die es abzuwägen gilt. Daneben ist auch der Einfluss steigender Temperaturen ein wichtiger Punkt (Änderung von H, E, KIC – Kriechfestigkeit, Oxidationsbeständigkeit). Gerade für die Entwicklung neuer Beschichtungsmaterialien für solche Anwendungen ist ein grundlegendes Verständnis zwischen Bindungscharakter, mechanischen Parametern und der Anwendung von großer Bedeutung.

Thermomechanische Ermüdungserscheinungen schränken die Lebensdauer moderner Hochleistungskomponenten stark ein und erfordern daher innovative Beschichtungsmaterialien, die die Lebensdauer durch vorhersagbare Rissausbreitung verlängern. Insbesondere eine fundierte Kenntnis der entscheidenden Versagenskriterien keramischer Dünnschichtmaterialien – im Allgemeinen verbunden mit einem intrinsischen Mangel an Duktilität – unter mechanischer Langzeitbelastung ist von größter Bedeutung, um begrenzte Materialeigenschaften zu verbessern. Literaturberichte zur Ermüdungsbeständigkeit, insbesondere von Hartstoffbeschichtungen, aber auch von dünnen Schichten im Allgemeinen, sind relativ selten [1]. Daher ist eine umfassende Analyse unterschiedlicher Beschichtungsklassen und Architekturdesigns im Hinblick auf Ermüdungserscheinungen (z. B. LCF, HCF oder Extrusionsbildung) von großem Interesse.

Diese Arbeit konzentriert sich auf neuartige Methoden zur Untersuchung der Ermüdungseigenschaften von PVD-abgeschiedenen Dünnschichtmaterialien. Unter Verwendung verschiedener Ansätze auf mehreren Längenskalen – von der Nanometer- bis zur Millimeterskala – liegt der Schlüsselaspekt auf einem allgemeineren Verständnis der Versagenskriterien von keramischen und metallbasierten Dünnschichten unter zyklischer mechanischer und thermischer Belastung. Unter Verwendung von FIB-präparierten Mikrogeometrien werden Ermüdungstests in Kombination mit in-situ-Synchrotron-Röntgenbeugungsexperimenten eingesetzt, um die Ermüdungseigenschaften von Beschichtungen unter dem Aspekt sich ändernder Bindungszustände – d. h. verändertes Verhältnis von ionischen, kovalenten oder metallischen Bindungen – zu charakterisieren – und veränderte Wachstumsmorphologien. Diese Ergebnisse werden auch mit dynamisch-mechanischer Analyse korreliert, um weitere Erkenntnisse über mögliche Größeneffekte und das Verhalten des Systems Beschichtung-Substrat im Allgemeinen zu erhalten. Dieser umfassende Ansatz sollte die kritischsten Aspekte in Bezug auf die Ermüdungslebensdauer von Schutzbeschichtungsmaterialien identifizieren.

Im Streben nach höheren Wirkungsgraden und Umweltverträglichkeit werden Materialien benötigt, die sehr anspruchsvollen Umgebungen einschließlich hoher Temperaturen standhalten. Wenn solche Komponenten bei den gewünschten hohen Temperaturen an Luft betrieben werden, wird die Zerstörung durch Oxidation sehr kritisch. Ziel dieses Projektes ist es daher, Beschichtungen zu entwickeln, die das Bauteil bei hohen Temperaturen über dem Stand der Technik, 1100 °C und höher, vor Oxidation schützen.

Diffusionsgetriebene Mechanismen steuern entscheidende Prozesse innerhalb von PVD-Dünnschichtmaterialien (Physical Vapor Deposition) und haben Einfluss auf jeden Aspekt in Bezug auf die Synthese, Eigenschaften und Leistung von Dünnschichten. Im Vergleich zu Schüttgütern unterscheidet sich die Diffusion in PVD-Dünnschichten aufgrund der höheren Defektdichte als Folge des Niedertemperaturwachstums aus der Dampfphase. Es wird erwartet, dass diese Strukturdefekte schnelle Wege für die Diffusion von Spezies innerhalb der Filme bieten, da sie sich in unmittelbarer Nähe von Grenzflächen befinden oder direkt mit Oberflächen verbunden sind (z. B. säulenförmige Grenzen). Infolgedessen werden die Morphologie und Mikrostruktur des synthetisierten Films die Leistung der Beschichtungsmaterialien in verschiedenen Anwendungen, bei denen diffusionsgetriebene Prozesse vorherrschen, stark beeinflussen. Prominente Beispiele für solche Prozesse sind Oxidation und Korrosion in Hochtemperaturumgebungen, wo die Diffusion angreifender Spezies zu einer Filmzersetzung führt. Darüber hinaus haben wir heutzutage eine steigende Nachfrage nach Anwendungen mit Wasserstoffspeicherung und -produktion, bei denen neue Barrierebeschichtungsmaterialien entwickelt werden müssen, um die Wasserstoffdiffusion zu hemmen[1, 2].

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