Phasenbildung und Entmischung in polykristallinen Schichten

Das Projekt behandelt die Herstellung von metallischen Zweikomponentenschichten aus thermodynamisch unmischbaren Partnern (Aluminium und Zinn) bei extrem hohen Raten. Materialien dieser Klasse finden als Laufschichten in hocbelasteten Gleitlagern ihre Anwendung. Aufgrund der gewählten Herstellungsbedingungen wird das Material weit etfernt vom thermodynamischen Gleichgewicht abgeschieden. Die physikalische Eigenschaften und die Frage der Langzeitstabilität sind daher von wissenschaftlicher und praktischer Relevanz. Ziel der Untersuchungen ist die detaillierte Charakterisierung der Verteilung der Einzelkomponenten in der Schicht unmittelbar nach der Deposition und deren zeitliche Veränderung in Abhängigkeit von unterschiedlichen Nachbehandlungen.Als Untersuchungsmethoden weden Rasterkraftmikroskopie, ortsaufgelöste Auger- Spektroskopie und Transmissionselektronenmikroskopie eingesetzt. Die Kombination dieser Verfahren erlaubt die Beobachtung und quantitative Erfassung von Entmischungsvorgängen sowohl an der Oberfläche als auch im Volumen der Schicht. Mit diesem Wissen soll es möglich werden, allgemeine Gesetzmässigkeiten über die Phasenverteilung und Schichtstruktur in unmischbaren Zweikomponentenschichten abzuleiten.

Präparationsmethoden für moderne Materialien beinhalten oftmals verfahren, welche Bedingungen bereitstellen, unter denen Festkörper sehr weit vom thermodynamischen Gleichgewicht entfernt abgeschieden werden. Dazu zählen das rapide Abschrecken aus der Schmelze und auch Beschichtungsverfahren, bei denen eine Beschichtung durch den direkten Übergang von der Gasphase zum Festkörper dargestellt wird. Mischbarkeit und Entmischungstendenzen werden daher immer wichtiger, da sie die Widerstandsfähigkeit des Materials gegen aggressive Umweltbedingungen (z. B. hohe Temperaturen, hohe Drücke oder korrosive Umgebungen) entscheidend mitbestimmen. Im Rahmen dieses Projektes wurde das thermodynamisch unbmischbare Materialsystem Aluminium (Al) - Zinn (Sn), welches durch das Sputterverfahren abgeschieden wurde, untersucht. Magnetron-sputtern erlaubt die Abscheidung von Schichten von einigen m Dicke direkt aus der Gasphase bei Raten von bis zu 1m/min. Zusätzlich kann auch die Energie der Beschichtungsteilchen kontrolliert werden. Diese Beschichtungen finden Einsatz als tribologische Elemente für Gleitlager in Hochleistungsmotoren. Aufgrund der dort herrschenden extremen Druck- und Temperaturbedingungen ist eine Untersuchung von Materialverteilungsmechanismen von hohem Interesse. Besondere Aufmerksamkeit wurde dem Transport von Sn an inneren und äusseren Grenzflächen von polykristallinem Al gewidmet. Die hohe Mobilität von Sn, welche in diesem Projekt nachgewiesen wurde, ist ein Transportmechanismus, der zur Ausbildung von Wachstumsinstabilitäten ("Whiskern") führen kann. Allerdings hat der Effekt auch positive Seiten, da Sn an jeder Grenzfläche einen dünnen, aber tribologisch aktiven Benetzungsfilm bildet. Hauptbestandteil des Projektes war die detaillierte Untersuchung der Ausbildung dieses Benetzungsfilmes durch einen kombinierten Ansatz aus Rasterkraftmikroskopie und chemischer Oberflächenanalyse. Es wurden Wege gefunden, die Bildung des Benetzungsfilmes zu beschleunigen und zu unterdrücken, was eine Bedeutung für zukünftige tribologische Anwendungen haben kann.