Nanogestructureerde keramische coatings vermoeien niet, vindt studie

Grafisch abstract. Credit: Acta Materialia (2022). DOI: 10.1016/j.actamat.2022.118260

Extreem dunne keramische coatings kunnen de eigenschappen van technische componenten volledig veranderen. Coatings worden bijvoorbeeld gebruikt om de weerstand van metalen tegen hitte of corrosie te vergroten. Coatingprocessen spelen een rol bij zowel grote turbineschoepen als bij extreem belaste gereedschappen in de productietechnologie.

TU Wien (Wenen) heeft nu onderzocht wat de stabiliteit van dergelijke coatings bepaalt. En de resultaten, waarvan sommige werden verkregen bij de DESY synchrotron in Hamburg, zijn behoorlijk verrassend: de keramische lagen breken op een heel andere manier af dan metalen. Materiaalmoeheid speelt nauwelijks een rol; doorslaggevend is de intensiteit van extreme belastingspieken (de zogenaamde stressintensiteitsfactor). Deze bevinding zal de methode die wordt gebruikt om de weerstand van dunne films in de toekomst te meten en verder te verbeteren, veranderen.

De studie is gepubliceerd in Acta Materialia.

Miljoenen keren gestrest

“In veel toepassingen vormen periodieke belastingen een groot probleem”, zegt prof. Helmut Riedl, hoofd van de onderzoeksgroep Applied Surface and Coating Technology aan het Institute of Materials Science and Technology aan de TU Wien. “Als je metalen onderdelen keer op keer blootstelt aan een bepaalde kracht, treden er veranderingen op microscopische schaal op.” Sommige atomen kunnen verschuiven, er ontstaan ​​laagjes die langs elkaar heen kunnen schuiven, er kunnen kleine scheurtjes ontstaan ​​die uiteindelijk kunnen leiden tot het breken van het hele onderdeel. Dergelijke materiaalvermoeiingseffecten zijn alomtegenwoordig in engineering en ze zijn goed bestudeerd.

Wat er met dunne coatings onder spanning gebeurt, is echter minder duidelijk. “Keramische coatings zijn vaak slechts enkele nanometers tot 10 µm dik, hun gedrag is totaal anders dan dat van een massief stuk keramiek”, zegt Lukas Zauner, die werkt aan zijn proefschrift in de onderzoeksgroep Applied Surface and Coating Technology.

Om dit gedrag zo goed mogelijk te begrijpen, werden aan de TU Wien geheel nieuwe meetmethoden ontwikkeld: in plaats van metaal en keramische coating samen te testen, zoals gewoonlijk wordt gedaan, liet het team het metaal weg en produceerde het extreem dunne monsters van verschillende keramische materialen die doorgaans worden gebruikt in de dunne-filmtechnologie en stelde ze op nauwkeurig gedefinieerde wijze bloot aan verschillende belastingen – keer op keer, tot wel tien miljoen keer.

Röntgenfoto’s bij de synchrotron

Om precies te weten te komen of de atomaire structuur van het keramiek daardoor verandert, nam het team de proefopstelling mee naar Hamburg: daar zijn zeer goed gefocuste röntgenstralen beschikbaar bij DESY’s synchrotron, waarmee kan worden onderzocht verschillende punten van het monster tijdens het laadexperiment. Zelfs kleine veranderingen in de kristalstructuur of in de afstand tussen naburige atomen zouden op deze manier detecteerbaar moeten zijn.

Maar verrassend genoeg lieten deze metingen zien: het keramiek verandert praktisch niet. Zelfs miljoenen laadcycli leiden niet tot materiaalmoeheid. “Standaardkeramiek zou volgens bepaalde patronen vermoeien, vergelijkbaar met het soort vermoeiing dat we kennen van metalen. Maar deze extreem dunne lagen vertonen dit gedrag niet”, zegt Helmut Riedl. “Hun microstructuur is aan het eind hetzelfde als aan het begin.”

Dit betekent dat de duurzaamheid van de dunne lagen uitsluitend wordt bepaald door hun breuktaaiheid: als u een voor het materiaal karakteristieke belastingslimiet overschrijdt, wordt de laag vernietigd – plotseling en onomkeerbaar. Alle belastingen onder deze limiet zijn echter geen probleem, ze verouderen de keramische laag niet, ze hebben praktisch geen effect.

Nieuwe onderzoeksstrategieën

“Dit verandert natuurlijk ook de strategie voor het ontwerpen van onderzoeksprojecten voor nieuwe, verbeterde keramische coatingmaterialen”, zegt Helmut Riedl. “Je hoeft geen ellenlange langdurige testen te doen, het volstaat om door een simpele belastingstest uit te zoeken welk materiaal onder welke kracht breekt. Je hoeft je geen zorgen te maken over hoe je eventueel vermoeiingseffecten in het materiaal kunt verminderen, je je hoeft alleen maar materialen te vinden met de hoogst mogelijke breuktaaiheid – zelfs dit is geen eenvoudige taak op zich.”

Het team heeft hiervoor al een prima kandidaat weten te vinden: een bepaalde vorm van chroomdiboride bleek in de testen verrassend resistent. Dit maakt de weg vrij voor toekomstig, veelbelovend onderzoek dat het grootste succes boekt.