Bachelor- und Master-/Diplomarbeiten

Supraleitende Niobnitrid (NbNx) Dünnschichten wurden mittels plasmagestützter Atomlagenabscheidung (PEALD) unter der Verwendung des metal-organischen Precursors Tert-Butylimino-Tris(Di-Ethylamino)Niob (TBTDEN) und Wasserstoffplasma abgeschieden. Die Sprungtemperatur (TC) und der spezifische Widerstand wurden mittels Vierspitzenmessung gemessen. Durch Rutherfordsche Rückstreuspektrometrie (RBS) und Röntgendiffraktometrie (XRD) wurden die Zusammensetzung und die kristallografischen Eigenschaften der abgeschiedenen Schichten untersucht. Der Beschichtungsprozess wurde hinsichtlich eines niedrigen spezifischen Widerstandes sowie einer hohen Sprungtemperatur hin optimiert. Eine Sprungtemperatur von 14 K sowie ein spezifischer Widerstand von 2,5 [my] [Omega]m wurde erreicht. Anfänglich wurde eine hohe Konzentration von Sauerstoff in den Schichten detektiert. Durch eine geeignete Parameterwahl insbesondere bei den Plasmaparameter konnte die Sauerstoffkonzentration von anfänglich 57 Atomprozent (at.%) auf 11 at.% verringert werden. Der Einfluss der Schichtdicke auf die elektrischen Eigenschaften wurde auf verschiedenen Substraten untersucht. Als Substrate wurden Silizium mit nativem Oxid, Silizium mit 200 nm thermisches Oxid, Saphir und poliertes Magnesiumoxid verwendet. Die analysierten Schichtdicken reichen von 3,5 nm bis 60 nm und zeigten Sprungtemperaturen von 6,2 K bis 14 K. Dabei wurden die höchsten Sprungtemperaturen auf Saphir und die geringsten auf Magnesiumoxid gemessen. Aufgrund eines neuen Pumpensystems konnte der Sauerstoffgehalt in den Schichten weiter auf 5 at.% reduziert werden. Die Schichtzusammensetzung ist somit Nb63N32O5. XRD Messungen zeigten die Abscheidung von polykristallinem Niobnitrid sowie von monokristallinem Nioboxid. Daraus ergibt sich eine verringerte effektive Schichtdicke für den supraleitenden Bereich. Wegen der herausragenden Schichtdickenkontrolle und der hohen Sprungtemperatur sind diese Schichten sehr gut für die Anwendung im Bereich supraleitender Elektronik und Sensoranwendungen geeignet.

Das Ziel dieser Bachelorarbeit war die Herstellung und Anwendung von reaktiven Mehrschichtsystemen für die Aufbau- und Verbindungstechnik. Als Substratmaterialien wurden hierbei Silizium, Low Temperature Cofired Ceramics (LTCC) und Kupfer verwendet. Auf diese Substrate wurde das reaktive Schichtsystem aus Nickel-Aluminium oder Silizium-Titan mittels physical vapour deposition-Magnetronsputtern aufgetragen. Die verwendeten Schichtdicken reichten von 10 bis 30 [my]m. Zusätzlich wurde zwischen Substrat und Schicht und auf die Schicht Zinn gesputtert, welches als Lotmittel fungiert. Das Prinzip von reaktiven Mehrschichtsystemen besteht darin, die beteiligten Fügepartner aufgrund einer exothermen Reaktion stoffschlüssig miteinander zu verbinden. Hierbei sind die Fügepartner kaum thermischen Belastungen ausgesetzt, da die Reaktion sehr schnell abläuft (< 1 s). Diese exotherme Reaktion wurde durch einen Festkörperlaser oder elektrischen Funken initiiert. Hierbei war festzustellen, dass die Funkenzündung mit den eingestellten Parametern zu erfolgreichen Ergebnissen geführt hat. Die Laserzündung zeigte hingegen keine Reaktion der Schichten untereinander. Nach der Zündung wurden die Proben mit verschiedenen Verfahren untersucht. Hierbei erfolgte eine Gefügeuntersuchung der gezündeten Proben mittels Rasterelektronenmikroskop und Lichtmikroskop. Dies geschah auch an den Querschnitten der Proben. Weiterhin wurden die Schichten durch Röntgendiffraktometrie auf ihre Phasenzusammensetzung untersucht, um Aussagen über den Fortschritt der exothermen Reaktion zu gewinnen. Hierbei wurde deutlich, dass die Proben mit Laserbeschuss keine intermetallischen Phasen im Schichtsystem bildeten, wohingegen die durch elektrische Funken gezündeten Proben ebendiese Phasen aufwiesen. Zusammenfassend wurden die ersten Versuche in dieser Thematik erfolgreich abgeschlossen, allerdings ist zum gegenwärtigen Zeitpunkt eine Anwendung unter den gegebenen Parametern noch nicht möglich. Daher sollten weitergehende Versuch für die Optimierung der Versuchsparameter angestellt werden.

Ziel der Arbeit war es, die tribologischen Eigenschaften von nanolaminaren Schichten zu untersuchen. Dafür sollte der Einfluss der verschiedenen Schichtsysteme Cr-Al-C, Ti-Al-N und Ti-Si-C und der Substrate, Stahl und Silzium, berücksichtigt werden. Weiterhin sollte der Einfluss eines elektrischen Stromes während der Messungen betrachtet werden. Die Prüfkörper wurden mittels PVD Verfahren hergestellt. Auf das Stahlsubstrat (1.4401) wurde vor Aufbringen der Multilagenschicht eine 100 nm dicke Nickeldiffusionsbarriere aufgebracht. Da die tribologischen Untersuchungen an den ungetemperten und den getemperten Schichtsystemen vorgenommen werden sollten, erfolgte für einen Teil der Proben das Tempern in einem RTA Ofen. Dafür wurden beim Tempern für die Proben mit Stahlsubstrat für die Schichtsysteme Ti-Al-N und Ti-Si-C um 100 &ring;C geringere Temperaturen als für die Proben mit Siliziumsubstrat verwendet. Dies geschah, um beim Stahl Diffusions- und Schmelzprozesse zu verhindern. Bei der XRD Messung zeigte sich, dass sich bei allen getemperten Stahl und Siliziumproben die gewünschten MAX-Phasen gebildet haben. Das bedeutet, dass bei den Stahlproben trotz der geringeren Temper-Temperatur die MAX-Phasenbildung eingesetzt hat. Bei dem getemperten Schichtsystem Cr-Al-C bildet sich auf Stahl und Silizium die Cr2AlC MAX-Phase ohne Vorphasen aus. Bei den Schichtsystemen Ti-Al-N und Ti-Si-C bilden sich neben den gewünschten MAX-Phasen Ti2AlN und Ti3SiC2 noch weitere Phasen aus. Auffällig ist, dass sich bei dem Stahlsubstrat mit Nickeldiffusionsbarriere, vor allem zusätzliche Verbindungen mit Nickel gebildet haben. Ebenfalls erfolgte eine Rauheitsuntersuchung der ungetemperten und getemperten Schichten auf den unterschiedlichen Substraten. Die Rauheit der Probenoberflächen nimmt vom ungetemperten zum getemperten Zustand zu. Diese Zunahme der Rauheit kann durch die beim Tempern initiierten Diffusionsprozesse erfolgen. Einzige Ausnahme ist die Ti2AlN Schicht auf Silizium und Stahl. Bei dieser Schicht nimmt die Rauheit der Oberfläche bei der getemperten Probe nicht zu. Es ist jedoch auch das einzige Schichtsystem, welches im Sputtercluster unter Temperatureinwirkung von 600 &ring;C hergestellt wurde. Die anderen Schichtsysteme wurden ohne Temperatureinwirkung aufgesputtert. Auffallend ist auch, dass die Rauheitswerte der ungetemperten Schichten auf dem Stahlsubstrat um eine Größenordnung höhere liegen als bei den Schichten auf dem Siliziumsubstrat. Vermutlich liegt es an der größeren Oberflächenrauheit des polierten Stahlsubstrates. Das bedeutet, die Rauheit des Substrates hat Einfluss auf die Rauheit der späteren Schicht. Die Rauheit der Stahlkugel ist um die Hälfte geringer als die Rauheit der Keramikkugel (Al2O3). Die Untersuchungen an dem Tribometer Basalt Must erfolgten bei unterschiedlichen Normalkräften, 50 mN und 125 mN, und verschiedenen Reibgeschwindigkeiten, 0,05 mm/s und 0,08 mm/s. Als Gegenkörper kam eine 100Cr6 Stahlkugel und eine Al2O3 Keramikkugel zum Einsatz. Die Kugel bewegt sich auf einer Messlänge von 1 mm Vorwärts und Rückwärts. Daraus ergibt sich am Ende bei 500 Messzyklen eine Gesamtmessstrecke von 1 m. Es zeigte sich, dass sich schon nach den ersten Zyklen ein Transferfilm auf der Kugel ausbildet. Die tribologischen Untersuchungen wurden unter Raumtemperatur durchgeführt. Die niedrigstens Werte für die Reibkoeffizienten bei den Messungen ohne Stromeinfluss erreicht bei dem Silizium Substrat und 100Cr6 Stahlkugel die MAX-Phase Ti3SiC2. Auch das ungetemperte Multilagen-Schichtsystem Ti-Si-C auf Silizium hat die niedrigsten Reibwerte. Die höchsten Reibkoeffizienten erzielt die MAX-Phase Cr2AlC bei den Schichten auf dem Siliziumsubstrat. Bei den tribologischen Messungen der Schichten ohne Strom auf dem Stahlsubstrat mit 100Cr6 Stahlkugel zeigte sich, dass der höchste Reibkoeffiziente bei der MAX-Phase Ti2AlN aufgenommen wurde. Die niedrigstens Werte der Reibkoeffizienten treten bei den MAX-Phasen Ti3SiC2 und Cr2AlC auf. Bei der Paarung Stahlsubstrat mit Schicht und Keramikkugel als Gegenkörper wurden die besten Reibwerte bei der Ti2AlN MAX-Phase erreicht. Bei den Messungen der Schichten auf dem Siliziumsubstrat unter Stromeinfluss treten bei 100 mA bei den MAX-Phasen Cr2AlC und Ti2AlN adhäsive Verschleißserscheinungen auf. Das bedeutet, dass Verschweißungen zwischen Kugel und Probenmaterial stattfinden und dadurch werden große Rauheiten in der Spur erzeugt. Bei geringerer Stromstärke finden innerhalb der Spur keine Verschweißungen statt. Bei den tribologischen Untersuchungen der Schichten auf dem Stahlsubstrat tritt nur bei der MAX-Phase Ti2AlN bei 100 mA adhäsiver Verschleiß auf. Durch die REM-Aufnahmen und EDX-Analysen konnte gezeigt werden, bei welchen Schicht/Substratkombinationen welcher Beschädigungsgrad der Schicht vorliegt. Die stärksten Beschädigungen, die bis auf das Substrat reichen, erfolgten bei dem ungetemperten Schichtsystem Cr-Al-C auf Silizium, der MAX-Phase Cr2AlC auf Silizium unter Stromeinfluss von 100 mA, der MAX-Phase Ti2AlN auf Silizium unter Stromeinfluss von 100 mA und der MAX-Phase Ti2AlN auf Stahl unter Stromeinfluss von 100 mA. Die besten Ergebnisse hinsichtlich des Beschädigungsverhaltens lieferte das Schichtsystem Ti-Si-C ungetempert und getempert bei beiden Substraten. Dies wird auch durch die quantitative Verschleißanalyse an den getemperten Schichten auf dem Stahlsubstrat bestätigt. Die Werte für das Verschleißvolumen sind bei der MAX-Phase Ti3SiC2 deutlich geringer als bei Cr2AlC und Ti2AlN. Das bedeutet, dass die Ti-Si-C Multilagenschicht und die MAX-Phase Ti3SiC2 die besten Ergebnisse hinsichtlich Verschleiß und Reibung liefert. Der Vergleich mit vorher durchgeführten Versuchen an der MAX-Phase Ti3SiC2 auf unterschiedlichen Substraten (Keramik und Messing) zeigte, dass die Werte der Reibkoeffizienten mit den Ergebnissen in dieser Masterarbeit in der gleichen Größenordnung liegen. Ebenfalls konnte in den vorheringen Untersuchungen festgestellt werden, dass an den Proben mit der MAX-Phase Ti3SiC2 nur geringe Schäden auszumachen waren. Diese Erkenntnisse decken sich mit den Erscheinungen in dieser Arbeit. Die nanolaminaren Schichten wurden ebenfalls darauf untersucht, ob sie Selbstheilungseffekte aufweisen. Die Betrachtungen erfolgten nur an den MAX-Phasen auf den Siliziumsubstraten. Die Tempervorgänge erfolgten in einem Quarzrohrofen unter Luft. Dafür erfolgte ein Vorversuch bei 400 &ring;C über eine Dauer von einer Stunde an den Tribospuren auf den getemperten Schichtsystemen auf dem Siliziumsubstrat. Die Temperatur bei dem Vorversuch war zu niedrig und die Dauer des Temperatureintrages zu kurz, um schon eine wahrnehmbare Veränderung erkennen zu können. Es haben sich keine neuen Phasen ausgebildet und in den REM-Aufnahmen sind auch keine Veränderungen ersichtlich. Ein weiterer Versuch erfolgte bei 1000 &ring;C über eine Dauer von 10 Stunden. Bei den Tribospuren auf diesen Proben ist nach dem erneuten Tempervorgang im Quarzrohrofen eine Veränderung zu erkennen. Ebenfalls zeigten die Messungen im Röntgendiffratometer das sich neue Phasen ausgebildet haben. Es wurde ersichtlich, dass sich die vorher vorliegenden MAX-Phasen zu Gunsten des Selbstheilungsprozesses und der damit verbundenen Bildung von Oxiden auflösen. Es waren bei allen Proben Selbstheilungseffekte bemerkbar. Jedoch sind überall die Spuren noch erkennbar. Die vorher stattgefundenen Beschädigung waren zu groß. Das heißt, Selbstheilung mittels Oxidation bei erhöhter Temperatur ist bei den hier durchgeührten Versuchen bis zu einem gewissen Grad möglich. Auch hier wurden die besten Ergebnisse bei der MAX-Phase Ti3SiC2 erzielt. Die MAX-Phase Ti3SiC2 weist in dieser Arbeit die besten Ergebnisse bei den tribologischen Untersuchungen hinsichtlich Reibungskoeffizient und Verschleißbeständigkeit, sowie bei dem Selbstheilungseffekt auf. Nachteilig ist die zur Herstellung benötigte hohe Temper-Temperatur, damit können Materialien mit geringer Temperaturbeständigkeit als Substrat nicht zum Einsatz kommen. Diese MAX-Phase könnte zum Beispiel als Schicht auf den verwendeten Keramiken bei tribologischen Hochtemperaturanwendungen verwendet werden. Reibung und Verschleiß werden als Verlustgrößen bei tribologischen Systemen angesehen. Diese beiden Faktoren hängen nicht nur von den Materialeigenschaften ab, hingegen auch von den Wechselwirkungen. Das bedeutet, Reibung und Verschleiß sind Systemeigenschaften. Die Systeme MAX-Schichten/ Stahlkugeln weisen im Vergleich zu dem System Stahlsubstrat/ Stahlkugel bessere Reibungseigenschaften auf. Bei dem System Siliziumsubstrat/ Stahlkugel sind die Reibungseigenschaften besser oder liegen in der gleichen Größenordnung wie bei den getesteten MAX-Schichten/ Stahlkugel Systemen. Im Falle des Stahlsubstrates verbessern die aufgebrachten MAX-Phasen die Oberflächeneigenschaften deutlich. Auch bei Paarungen SiC/ Stahlkugel und Al2O3/ Stahlkugel würden sich MAX-Phasen anbieten. Denn bei den Paarungen liegen ebenfalls Reibungszahlen bei Trockenreibung von 0,77 und 0,69 vor. Damit bieten sich MAX-Phasen als Verschleißschutzschichten auf Substraten mit hoher Reibungszahl (größer 0,5), wie bei Stahl oder Keramiken, an. Dadurch kann das Reibungsverhalten und das Verschleißverhalten dieser Grundkörper verbessert werden. Es sollten erneute tribologische Messungen an allen Proben durchgeführt werden um zu ermitteln, ob die hier erlangten Ergebnisse reproduzierbar sind. Ebenfalls könnten nochmals Messungen erfolgen bei denen nach jeder Spur ein Kugelwechsel erfolgt. Weiterhin wären Temperaturmessungen an der Messanordnung interessant um zu ermitteln, ob sich bei den tribologischen Untersuchungen unter Stromeinfluss, Wärme entwickelt. Interessant wären auch Untersuchungen mit neuen Systempaarungen in dem unterschiedliche Kugelmaterialien verwendet werden. Ebenfalls sollten noch weitere Substrate verwendet werden um zu zeigen, wie sich das Reibungsverhalten nach Aufbringung der MAX-Phasen verändert. Hinsichtlich weiterführender Untersuchungen des Selbstheilungseffektes müssen verschiedene Stadien dieses Effektes ausgelöst durch unterschiedliche Zeit und Temperaturkombinationen betrachtet werden. Ebenso könnte der Selbstheilungseffekt in Abhängigkeit vom Ausmaß der Beschädigung untersucht werden.

In der vorliegenden Bachelorarbeit wurde sich mit der metallografischen Präparation zur EBSD-Untersuchung von Duplexstahl befasst. Dabei wurden Proben aus den Materialien Reineisen (ferritische Probe), X2CrNiMoN 22-5-3 bzw. 1.4462 (ferritisch-austenitische Probe) und X2CrNiMo 17-22-2 bzw. 1.4404 (austenitische Probe) untersucht, um das Verhalten der Phasen Ferrit und Austenit hinsichtlich der Präparationsmethoden zu analysieren. Als Präparationsmethoden wurden die Verfahren der mechanischen und elektrochemischen Präparation, sowie der mechanischen Präparation kombiniert mit Vibrationspolieren untersucht. Das Ziel bestand darin, aus den ausgewählten Präparationswegen eine optimale Probenbehandlung zu finden, mit deren Hilfe es möglich ist, einen ferritisch-austenitischen Duplexstahl für eine Phasenanalyse mittels EBSD zu präparieren. Die Ergebnisse zeigten, dass eine mechanische Präparation ungenügend für eine sichere Aussage und somit nicht anzuwenden ist. Die elektrochemische Probenpräparation zeigte für die rein ferritische und rein austenitische Probe jeweils sehr zuverlässige Ergebnisse, für die Duplexstahlprobe jedoch keine Verbesserung gegenüber der mechanischen Präparation. Die dritte Präparationsmethode, die mechanische Präparation in Kombination mit Vibrationspolitur, erzielte für die Duplexstahlprobe sehr gute Ergebnisse hinsichtlich der CI-, FIT- und IQ-Werte. Die Ursache ist hier in der Topografie, sowie der amorphen Deckschicht zu finden. Aus mechanischer Präparation resultierten geringe Oberflächentopografie, jedoch starke Deformationsschicht. Bei elektrochemischer Präparation wurde keine mechanische Deformation, jedoch eine Oberflächentopografie erzeugt. Die Vibrationspolitur stellte ein geeignetes Mittelmaß zwischen beiden Präparationsmethoden dar: Geringe Deformationsschicht, bei geringer Topografieausbildung. Als Schlussfolgerung kann für diese Bachelorarbeit zusammenfassend die Aussage getroffen werden, dass für optimale Ergebnisse die mechanische Präparation in Kombination mit Vibrationspolitur die besten Ergebnisse für EBSD-Untersuchungen lieferte. Als Ausblick besteht die systematische Untersuchung exakter Parametersätze sowohl für die Probenpräparation, als auch der Einstellungen zur EBSD-Messung, um systematische Fehler bewusst zu eliminieren und Präparations- und Untersuchungszeiten weiter zu optimieren.

In der vorliegenden Bachelorarbeit wird das epitaktische Laserpulverauftragschweißen einer einkristallinen Ni-Basis-Superlegierung auf artgleichem Substrat untersucht. Es wird der Einfluss eines gezielt erzeugten, gerichteten Temperaturgradienten im Substrat auf eine epitaktische Erstarrung betrachtet. Ziel der Arbeit ist die Erzeugung einer einkristallinen Laserpulverauftragschweißung. Dabei wird der Einfluss von Leistung, Pulverförderrate und Strahldurchmesser auf Aufmischungsgrad und Pulvernutzungsgrad der Schweißung untersucht. Aus den Ergebnissen wird ein für diese Legierung geeigneter Parameterbereich ermittelt. Es folgen Untersuchungen zur Auswirkung einer Vorwärmung der Schweißstelle und der Wärmeabfuhr aus dem Bauteil auf eine epitaktische Schweißung. Im Rahmen der Untersuchungen konnte der Einfluss von Laserleistung, Pulverförderrate und Strahldurchmesser auf Aufmischungsgrad und Pulvernutzungsgrad für einen ausgewählten Parameterbereich weitgehend geklärt werden. Auch ein Zusammenhang zwischen der Wärmeabfuhr aus dem Grundwerkstoff und einer epitaktischen Erstarrung konnte ermittelt werden.