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M Palir:
"Grenzflächen-Design von lichtbogenverdampften Aluminium-Chromium-basierten Oxynitrid-Schichten";
Supervisor: H. Riedl, P.H. Mayrhofer; Institute of Materials Science and Technology/E308-01, 2019; final examination: 2019-08-27.

Physical vapor deposited AlxCr1-xN and (AlxCr1-x)2O3 tool coatings are nowadays commonly used for machining applications to improve the overall tool performance, most notably the hardness, wear resistance, and thermal stability. As recently shown by former studies, architectural design of AlxCr1-xN/(AlxCr1-x)2O3 multilayer coatings is a promising way to further improve the mechanical properties within these oxynitrides. Starting from this point, the aim of the study was to investigate the influence of the coating composition on the thermal stability and oxidation resistance of such multilayered oxynitride coatings. For this purpose, coatings with different AlxCr1-xN/(AlxCr1-x)2O3 ratios were deposited by an industrial sized arc-evaporation system and subsequently characterized. High temperature analyses using a differential scanning colometry system of the as deposited coatings (in powder state) showed increasing oxidation resistance with higher oxygen content within the coating. The temperature stability data obtained within these tests were used to develop an experimental procedure to investigate the oxidation stability of the samples in their natural, as deposited form. The long-term furnace annealed samples were examined using a scanning electron microscope equipped with an EDX (Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy) detector for executing line scans via the specimen cross section. The results from this experiment completely contradicted to the trends observed during the all other experiments, as the high nitrogen containing coatings now easily outperformed the high oxygen containing ones. Considering these findings, it has to be deduced that a higher amount of (AlxCr1-x)2O3 phase fraction is not necessarily a cause for higher oxidation resistance, but, quite contrary, the thermal stability seems to decrease with higher percentage of (AlxCr1-x)2O3 within the coating. This does, however, not mean, that intermixing of (AlxCr1-x)2O3 and AlxCr1-xN layers has a negative influence on oxidation resistance. With the results at hand, it should suffice to say that, according to our research, oxidation stability of AlxCr1-xN/(AlxCr1-x)2O3 multilayers increases with decreasing oxygen content within the coating in the analyzed temperature range.

PVD (Physical Vapour Deposition) ist eine Standardmethode zur Erzeugung von harten, verschleißfesten und temperaturbeständigen Werkzeugbeschichtungen. Unter diesen zeichnen sich, wie von vorausgehenden Studien gezeigt, viellagige Strukturen aus abwechselnden Schichten von AlxCr1-xN und (AlxCr1-x)2O3 durch besonders gute mechanische Eigenschaften aus. Das Ziel dieser Arbeit besteht in der Untersuchung der thermischen Stabilität, sowie der Hochtemperatur-Korrosionsresistenz dieser Beschichtungen. Zu diesem Zweck wurden Beschichtungen mit unterschiedlichen Mischungsverhältnissen von AlxCr1-xN und (AlxCr1-x)2O3 abgeschieden und deren Leistungsvermögen getestet. Mittels Analysen bei erhöhter Temperatur in Helium - und Sauerstoffatmosphäre konnte ermittelt werden, dass die Stabilität der zu feinem Pulver vermahlenen Schichten mit erhöhtem Gehalt an sauerstoffreichen Lagen zunimmt. Auf Basis der Ergebnisse dieser Untersuchungen wurde eine Testprozedur zur Ermittlung der Oxidationsresistenz der Beschichtungen in ihrer ursprünglichen, unvermahlenen Form entwickelt. Diese sollte die Entwicklung der Probeneigenschaften nach längerer Verwendungsdauer abbilden. Die Begutachtung der Teststücke erfolgte mithilfe eines Rasterelektronenmikroskops (SEM), wo die Probenquerschnitte linienförmig mittels energiedispersiver Röntgenspektrometrie (EDX) abgetastet wurden. Die erhaltenen Ergebnisse widersprachen den Resultaten der anderen Experimente. Die thermische Beständigkeit der Beschichtungen stieg mit sinkendem Sauerstoffgehalt. Da die Messwerte des letzten Versuches das reale Einsatzgebiet aufgrund der Verwendung in abgeschiedener Form am besten abbilden, muss geschlossen werden, dass ein höherer (AlxCr1-x)2O3 - Anteil nicht zu einer Verbesserung der Eigenschaften von AlxCr1-xN/(AlxCr1-x)2O3 Multilagenbeschichtungen führt. Zumindest im Betrachteten Mischungsbereich ensteht durch die vermehrte Verwendung von (AlxCr1-x)2O3 in der Beschichtung keinen Vorteil hinsichtlich der thermischen Beständigkeit.

Project Head Paul Heinz Mayrhofer:
Christian Doppler Labors für anwendungsorientierte Schichtentwicklung