Borid Targets für verbesserte Schichtwerkstoffe

Plansee Composite Materials GmbH forscht im Rahmen eines Christian-Doppler Labors mit Oerlikon Surface Solutions AG und dem Institute of Materials Science and Technology der Technischen Universität Wien an verbesserten Schichtwerkstoffen.

Borid Targets, von links-oben anfangend: CrB2, TaB2, VB2, TiB2, ZrB2, NbB2 und W2B5

An Schutzschichten werden ausgesprochen hohe Anforderungen gestellt. Denn sie haben die Aufgabe Effizienz, Einsatzfähigkeit und Standzeit von Präzisionskomponenten zu erhöhen. Dazu gehören etwa spanabhebende Werkzeuge, Turbinenschaufeln oder Ventile der Automobilindustrie. Um diesen hohen Anforderungen gerecht werden zu können, wird intensiv an neuen maßgeschneiderten Schichtwerkstoffen geforscht. Als vielversprechend gelten Schichten, die auf Boriden basieren. Sie haben ein weites Anwendungsspektrum und kommen unter anderem als ultrahoch-temperatur beständige Verschleiß- und Erosionsschutzschichten, Oxidationsbarrieren oder Wärmedämmschichten zum Einsatz. Allerdings besteht hier noch großer Forschungsbedarf: Denn um Borid-basierte Schichtwerkstoffe verbreitet einsetzen zu können, bedarf es mehr Wissen über diese Werkstoffe. Deshalb erforscht die Plansee Composite Materials GmbH in Kooperation mit der Oerlikon Surface Solutions AG und dem Institute of Materials Science and Technology der Technischen Universität Wien ternäre Diboride. Dabei werden Kombinationen von Diboriden selektiert und experimentell zu ternären Systemen abgeschieden. In diesem Prozess kommen hochreine Diborid-Targets der Plansee Composite Materials GmbH in einem Co-Sputter Prozess zum Einsatz, wie CrB2, TaB2, VB2, TiB2, ZrB2, NB2, oder W2B5. So wird eine große Variation der chemischen Zusammensetzungen der Schichten abgedeckt und diese auf ihre Eigenschaften untersucht.

Ein vielversprechendes Ergebnis: W1-xTaxB2 Schichten. Durch die Zugabe von bis zu 26 at.% Tantal in die bevorzugte α-Kristallstruktur von WB2 erhöht sich die thermische Stabilität von 800 °C auf bis zu 1400 °C. Das Forschungsteam um Paul Mayrhofer und Helmut Riedl konnte theoretisch und experimentell nachweisen, dass dieser Effekt auf einer Stabilisierung der Kristallstruktur durch Leerstellen basiert. Außerdem belegte es in verschiedenen Publikationen, dass durch die Zugabe von Tantal die sehr hohe Bruchzähigkeit von α- WB2 nicht negativ beeinflusst wird. Das ist deshalb ein grundlegender Aspekt, da die meisten Diboride aufgrund ihrer Sprödigkeit bisher nicht den Weg in die Anwendung finden konnten. Für diese Forschungsergebnisse wurde Vincent Moraes bei der internationalen ICMCTF Konferenz im April 2018 der Gold Metal Award verliehen.


Weitere Details über ternäre Boride erfahren Sie im September beim 83. IUVSTA Workshop in Vadstena in Schweden.