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M. Schlögl:
"Multilayer Design for Increased Toughness of CrN-based Coatings";
Supervisor, Reviewer: P.H. Mayrhofer, J. Keckes; Department Metallkunde und Werkstoffprüfung, Montanuniversität Leoben, 2013; oral examination: 2013-01-18.

Ceramic-like coatings are widely used for various industrial applications because of their outstanding properties like high thermal stability, oxidation resistance and abrasion resistance. Particularly, transition metal nitrides, such as CrN are well known and investigated with respect to their microstructure, morphology, thermal and mechanical properties. Due to the demand of versatile requirements smart architectural designs such as nanocomposite and multilayers become more important during the last decades. This study focuses on the structural, mechanical and thermal properties of CrN/AlN multilayer coatings. The influence of the individual layer thickness is investigated by preparing multilayer coatings composed of 1, 2 and 3 nm thin AlN layers and CrN layers with thicknesses ranging from 1 to 10 nm. Based on X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM) and high resolution TEM (HRTEM) it can be concluded that a fully stabilization of the AlN layers in their metastable cubic structure can be achieved up to layer thicknesses of 3 nm with the condition that the CrN layers need to be at least as thick as the AlN layers. Otherwise the AlN layers crystallize also in their stable ZnS wurtzite type structure. The superlattice coatings exhibit a characteristic hardness profile as a function of the bilayer period Λ with a pronounced hardness maximum of 31 and 28 GPa. Highest thermal stability for these superlattice coatings is obtained when the columnar growth is inhibited. Further investigations concentrate on the influence of AlN layers in their metastable cubic structure and stable wurtzite structure on the columnar growth of CrN-based multilayers and the resulting mechanical and thermal properties. Therefore, multilayer coatings were developed composed of 3 or 10 nm thin AlN layers and combined with ~100 nm thin CrN, CrAlN, or CrAlYN layers. The study clearly demonstrates improved mechanical and thermal properties for coatings composed of 10 nm thin AlN layers. If the AlN layers are thicker than 3 nm, coherency strains to the CrN, CrAlN, or CrAlYN layers are too weak to allow for a fully coherent cubic stabilization. Hence, they tend to crystallize in their stable wurtzite structure and thereby inhibit a pronounced columnar growth structure. The brittleness of ceramic-like coatings often negatively influences their performance especially when used in conditions with an increased need for crack resistance. Therefore, the influence of AlN layers (in their metastable cubic or hexagonal structure) on the fracture behavior of ceramic-like CrN/AlN multilayers is investigated. In-situ micro-compression, bending and tensile tests were conducted for such multilayers and compared to monolithic CrN. The study clearly demonstrates crack deflection, crack arrest and crack stop mechanisms for the fully cubic stabilized CrN/AlN multilayer coating and highest fracture stress which can be attributed to a strain induced phase transformation of the metastable cubic to the stable wurtzite AlN phase. In contrast CrN/AlN multilayers with mixed cubic/wurtzite structured AlN layers showed no crack deflection and lowest fracture stresses. The study shows extensive in-situ fracture tests in a micro-scaled range providing necessary information on the fracture behavior of hard coatings.

Keramische Schichten werden aufgrund ihrer hervorragenden thermischen Stabilität, Oxidations- und Abrasionsbeständigkeit in unterschiedlichen Industrieanwendungen eingesetzt. Vor allem Übergangsmetallnitride, wie CrN sind ausführlich untersucht hinsichtlich ihrer Mikrostruktur, Morphologie, thermischen und mechanischen Eigenschaften. Die Nachfrage nach vielseitig anwendbaren Materialien in den letzten Jahrzehnten forcierte intelligent architektonisch ausgeführte Konstruktionen und führte zur Entwicklung von nanokristallinen und mehrlagigen Strukturen. Diese Arbeit befasst sich mit den strukturellen, mechanischen und thermischen Eigenschaften von CrN/AlN Mehrlagenschichten. Die Herstellung mit AlN-Lagendicken von 1, 2, und 3 nm und CrN-Lagen mit einer Dicke von 1 bis 10 nm ermöglicht es, den Einfluss der jeweiligen Lagendicke zu untersuchen. Aufgrund der Ergebnisse von Röntgendiffraktometrie (XRD), Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und hochauflösende TEM (HRTEM) kann auf eine durchgehende metastabile kubische Stabilisierung der AlN Lagen geschlossen werden, sobald die Lagendicke kleiner als 3 nm ist und die CrN-Lagen mindestens die gleiche Dicke aufweisen. Andernfalls kristallisieren die AlN-Lagen in ihrer stabilen ZnS wurtzit Struktur. Jene Schichten mit einer Übergitterstruktur zeigen ein charakteristisches Härteprofil als Funktion der Doppellagenperiode Λ mit einem ausgeprägten Härtemaximum von 31 und 28 GPa. Die höchste thermische Stabilität wurde für diese Mehrlagenschichten mit Übergitterstruktur gefunden, wenn das kolumnare Wachstum unterbrochen wurde. Weitere Untersuchungen befassten sich mit dem Einfluss der AlN Lagen in ihrer metastabilen kubischen und stabilen wurtzit Struktur auf das kolumnare Wachstum von CrN-basierenden Mehrlagenschichten und ihren mechanischen und thermischen Eigenschaften. Für diese Untersuchungen wurden Mehrlagenschichten mit AlN Lagendicken von 3 und 10 nm mit CrN, CrAlN und CrAlYN Lagen kombiniert. Die Studie zeigt verbesserte mechanische und thermische Eigenschaften für die Schichten mit 10 nm dünnen AlN-Lagen. Ist die Dicke der AlN Lagen größer 3 nm, so sind die Kohäherenzspannungen zu CrN, CrAlN und CrAlYN zu schwach um eine komplette kubische Stabilisierung zu gewährleisten. Daher neigen dicke AlN Schichten in ihre stabile wurtzit Struktur zu kristallisieren und führen dadurch zu einer Behinderung des kolumnaren Wachstums. Die Sprödigkeit von keramischen Schichten beeinträchtigt oft ihre Einsetzbarkeit vor allem wenn eine erhöhte Rissbeständigkeit gefordert ist. Deshalb wurde der Einfluss von AlN-Lagen (in metastabiler kubischer und stabiler hexagonaler Struktur) auf das Bruchverhalten von keramischen CrN/AlN Mehrlagenschichten untersucht. Dazu wurden in-situ micro-Druck-, Biege- und Zugversuche von diesen Mehrlagenschichten durchgeführt und mit monolithischen CrN verglichen. Die Tests zeigten deutlich Rissverzweigungen, Rissauffang- und Rissstopmechanismen sowie die höchste Rissspannung für die komplett kubisch stabilisierten CrN/AlN Mehrlagenschichten, was auf eine spannungsinduzierte Phasentransformation von der metastabilen kubischen zu der stabilen wurtzit AlN-Phase hindeutet. Die CrN/AlN Mehrlagenschicht mit gemischter kubisch/wurtzit AlN-Struktur zeigt keine Rissablenkung, aber die niedrigste Bruchspannung. Diese Arbeit zeigt umfangreiche in-situ Bruchtests im micro Bereich und stellt interessante Informationen bezüglich Bruchverhalten von Hartstoffschichten bereit.

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