Dotierungen von tetraedrisch amorphem Kohlenstoff zur Steigerung der Schadenstoleranz und der Temperaturstabilität

Der wasserstofffreie tetraedrisch amorphe Kohlenstoff (ta C) weist aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaftskombination eine hervorragende Eignung als Schichtmaterial für viele Anwendungen auf. Seine begrenzte Schadenstoleranz und Temperaturstabilität schränken die Verwendung jedoch ein. Eine Möglichkeit zur Verbesserung könnte die Zugabe geeigneter Dotierungselemente sein. In der Literatur wurde die Dotierung von ta-C dafür bisher kaum in Betracht gezogen. Obwohl vereinzelte Publikationen ein gewisses Potenzial erkennen lassen, fehlt ein systematisches und umfassendes Verständnis über die Beziehung zwischen der che-mischen Natur des Dotierstoffs, der Mikrostrukur der Schicht und deren Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften, die Schadenstoleranz und die Temperaturstabilität. Die vorliegende Arbeit ist ein Beitrag zur Schließung dieser Lücke. Zu diesem Zweck wurden dotierte ta C:X-Schichten (X = B, Si, Mo, Fe oder Cu) mit je einer festen Elementkonzentration unter identischen Bedingungen hergestellt und vor sowie nach einer Temperung an Luft und im Vakuum untersucht. Es zeigte sich, dass die Elementzugabe im Allgemeinen zur Störung des sp3-Netzwerks des Kohlenstoffs und so zur Erhöhung des sp2-Anteils und der sp2-Cluster im Kohlenstoff führte, wodurch sich die Härte, der Elastizitätsmodul und, außer im Fall von a C:Mo, auch die Eigenspannungen verringerten. Das Ausmaß dieser Veränderungen war elementabhängig, wobei die Bindungsart der Dotierstoffe zum Kohlenstoff, deren Atomradius und deren Beeinflussung der Plasmaenergie als wichtige Einflussgrößen identifiziert wurden. Für die metallisch dotierten Schichten (a C:Mo, a C:Fe, a C:Cu) traten als zusätzliche Gefügeanteile turbostratischer Kohlenstoff und Molybdänkarbid- (für a C:Mo) beziehungsweise Kupferkristallite (für a C:Cu) auf. Interessanterweise führte die Dotierung in den meisten Fällen zu einer erheblichen Reduktion an Abscheidungsdefekten. Die Schadenstoleranz wurde mittels Biegung, Indentations- und progressiver sowie zyklischer Ritzprüfung untersucht, wobei sehr unterschiedliche Beanspruchungszustände auftraten. Als methodische Voraussetzung dafür waren, insbesondere beim Indentations- und zyklischen Ritztest, geeignete Kriterien zur Bewertung der Schadenstoleranz sowie ein fundiertes Verständnis der Schädigungsentwicklung zu erarbeiten. Der zyklische Ritztest erwies sich als gut geeignet zur direkten Gegenüberstellung unterschiedlicher Beanspruchungszustände anhand verschiedener unterkritischer Laststufen und zur Bewertung des niederzyklischen Versagens-verhaltens. Für eine hohe Schadenstoleranz im Fall starker lokaler Verformungen waren in allen Versuchen eine geringere Härte, ein duktileres Verformungsverhalten, eine geringe Dichte an Abscheidungsdefekten und höhere Schichtdicken von Vorteil. Unter Beibehaltung einer sehr hohen Härte zeigte ta C:B eine geringfügig bessere Schadenstoleranz als ta-C. Die höchste Schadenstoleranz bei häufig ausreichender Härte von über 25 GPa wies a C:Mo auf. Die Untersuchungen nach dem Tempern zeigten, dass die Temperaturbeständigkeit generell mit geringerem sp3-Anteil der Kohlenstoffphase abnimmt. Im Vakuum waren demnach die sp3-reichen Schichten ta-C, ta C:B und ta C:Si am stabilsten. Dabei wurde sogar eine signifikante Härtesteigerung beobachtet. An Luft sind außerdem die Oxidationsneigung der Dotierelemente und die Hemmwirkung der entstehenden Oxidschicht gegen weitere Oxidation relevant. Eine Verbesserung der Oxidationsbeständigkeit konnte für ta-C:Si und ta-C:B nachgewiesen werden. Als wichtige Einschränkung wurde die Haftungsverminderung nach dem Tempern aufgrund der Oxidation der Chrom-Zwischenschicht festgestellt.

Hydrogen-free tetrahedral amorphous carbon (ta-C) is an excellent coating material for many applications due to its unique combination of properties,. However, its limited damage tolerance and temperature stability limit its use. One possibility for improvement could be the addition of suitable doping elements. The doping of ta-C for this purpose has hardly been considered in the literature, so far. Although a few publications indicate some potential, a systematic and comprehensive understanding of the relationship between the chemical nature of the do-pant, the microstructure of the coating and its effects on mechanical properties, damage tolerance and temperature stability is lacking. The present work is a contribution to fill this gap. For this purpose, doped ta C:X coatings (X = B, Si, Mo, Fe or Cu) with a fixed element concentration were prepared under identical conditions and investigated before and after annealing in air and in vacuum. It was found that the addition of elements generally led to disruption of the sp3 network of the carbon and thus to an increase in the sp2 fraction and the sp2 clusters in the carbon, which reduced the hard-ness, the Young’s modulus and, except in the case of a C:Mo, also the residual stresses. The extent of these changes depended on the element, with its type of bonding to the carbon, its atomic radius and its influence on the plasma energy identified as important influencing variables. For the metallically doped coatings (a C:Mo, a C:Fe, a C:Cu), turbostratic carbon and molybdenum carbide (for a C:Mo) and copper crystallites (for a C:Cu) appeared as additional microstructural components. Interestingly, in most cases the doping led to a considerable reduction in deposition defects. Damage tolerance was investigated using mandrel bending, indentation, progressive and cyclic scratch tests, which produce very different stress situations. As a methodological requirement, it was necessary to develop appropriate criteria for evaluating damage tolerance and a sound understanding of damage evolution, particularly for the indentation and cyclic scratch tests. The cyclic scratch test was found to be well suited for directly comparing different stress states based on different subcritical load levels and for evaluating low-cycle fatigue behavior. In all tests, lower hardness, more ductile deformation behavior, lower defect density, and higher coating thicknesses were advantageous for high damage tolerance in case of strong localized deformation. Ta C:B showed a slightly better damage tolerance than ta C while retaining a very high hardness. The highest damage tolerance with often sufficient hardness above 25 GPa was shown by a C:Mo. The post-annealing investigations showed that the temperature resistance generally decreases with a lower sp3 fraction of the carbon phase. Accordingly, the sp3-rich ta-C, ta-C:B and ta-C:Si coatings were the most stable in vacuum. A significant increase in hardness was even observed. In air, the oxidation tendency of the dopant elements and the inhibiting effect of the resulting oxide layer against further oxidation are also relevant. For ta C:Si and ta C:B, an improvement in oxidation resistance was demonstrated. The reduction in adhesion after annealing due to oxidation of the chromium interlayer was identified as an important limitation.