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High-Speed PVD-Schichtsysteme

Ein hoher Kostenfaktor in der Industrie ist die Erosion von Komponenten z. B. in der Lebensmittelindustrie, der Mikroelektronik oder der spanenden Bearbeitung, wenn diese vor Ablauf ihrer vorgeschriebenen Lebensdauer ersetzt werden müssen. Durch die Erosion entstehen der Industrie jedes Jahr Kosten in Milliardenhöhe. Eine Möglichkeit der Kosten- und Ressourceneinsparung ist der Einsatz von Physical Vapour Deposition (PVD)-Schichtsystemen auf den Komponenten. Die PVD-Technologie ist eine Dünnschicht-technologie mit typischen Schichtdicken von wenigen Nanometern bis zu mehreren Mikrometern. Doch der Einsatz der klassischen PVD-Schichtsysteme für den Erosionsschutz ist aufgrund der Schichtdicke limitiert und kann daher nur bedingt angewendet werden. Hierbei hat sich in den letzten Jahren die High-Speed PVD-Technologie (HS-PVD) etabliert. Dank der höheren Beschichtungsraten und der Abscheidung dickerer Schichten im Vergleich zu den klassischen PVD-Schichtsystemen kann der Einfluss der Erosion minimiert werden.

Erosion als abrasiver Materialabtrag an einer Oberfläche tritt durch mechanische Einwirkung von Fluiden oder strömungsgetragenen Partikeln auf und beschreibt durch Umwandlung von kinetischer Energie in Umformenergie entstehende progressive lokale Verformung, Verfestigung und Ablösung von Materialien. Die auftretenden Materialschäden sind irreversibel. Zur Vermeidung des Erosionseinflusses wurden zahlreiche Lösungen wie neue Werkstoffkombinationen oder der Einsatz eines Partikelabscheiders ausprobiert. Diese zeigten allerdings eine Gewichtserhöhung oder eine Reduzierung des Wirkungsgrades des technischen Gesamtsystems. Das vielversprechendste Potenzial zur Erhöhung der Erosionsbeständigkeit zeigt hierbei das High-Speed PVD-Schichtsystem.

Grundsätzlich lässt sich der PVD-Prozess in drei Phasen gliedern. Im ersten Prozessschritt wird das fest vorliegende Beschichtungsmaterial (Target) mittels Energiezufuhr in die Gasphase überführt. Im zweiten Schritt wird das, in der Gasphase gelöste, Schichtmaterial vom Target zum Substrat transportiert, um dann im dritten Prozessabschnitt auf dem Substrat eine Schichtbildung über Kondensation zu gewährleisten. Typische PVD-Schichtdicken liegen bei 1 nm/h bis 10 µm/h, begrenzt durch Eigen- und Zugspannungen. Demgegenüber kann die HS-PVD-Technologie mit Beschichtungsraten von 100 µm/h  die klassischen PVD-Verfahren übertrumpfen und somit belastungsgerechte Erosionsschutzschichten abscheiden.  

Als Quelle des HS-PVD-Prozesses dient eine Hohlkathode, die von einem Inertgas durchflossen wird. An der Targetoberfläche wird über eine Zerstäubung, bekannt als Sputtering, per Hohlkathoden-Glimmentladung Material abgetragen. Das abgetragene Material wird über den Inertgasstrom, meistens Argon, aus dem Hohlraum der Kathode befördert und bis zum wenige Zentimeter entfernten Substrat transportiert. Hierbei werden Reaktivgase wie Stickstoff, Sauerstoff oder Acetylen in die Beschichtungskammer eingeleitet, abhängig vom gewünschten Schichtsystem. Die HS-PVD-Technologie erlaubt Beschichtungen auf Substrate mit Hinterschneidungen und komplexen Vertiefungen, mit unterschiedlichen Schichtstrukturen und Werkstoffkombinationen. Mit einer gepulsten Biasversorgung und einer Temperatur bis zu 1.000 °C scheidet die HS-PVD gesputterte Schichten unter ökonomisch reizvollen Randbedingungen wie bei thermisch gespritzten Schichten ab.

Typische HS-PVD-Schichtsysteme wären z. B. für beanspruchte Komponenten von Flugtriebwerken oder Hubschraubern anwendbar, die dem Feinstaub, Sand oder auch der Vulkanasche ausgesetzt sind. Des Weiteren wären auch Schichten für Bauteile in Pumpen denkbar, die im Offshore-Bereich oder bei der Förderung von Kalksuspensionen in Rauchgasentschwefelungsanlagen arbeiten. Durch geeignete HS-PVD-Schichtsysteme könnte die Lebensdauer der Einzelkomponenten und somit auch die des Gesamtsystems maximiert werden. Neben einer Leistungssteigerung wäre zusätzlich besonders eine Kostenreduzierung bemerkbar.

Derzeit ist die HS-PVD-Technologie in der Grundlagenforschung und bedarf noch intensiver Forschung hinsichtlich Anlagentechnik und Abscheideparameter. Nichtsdestotrotz zeigen schon erste vielversprechende Ergebnisse das Potenzial der HS-PVD-Technologie. Somit kann bereits jetzt vorhergesagt werden, dass in wenigen Jahren innovative HS-PVD-Erosionsschutzschichten für operierende Arbeits- und Kraftmaschinen bereitgestellt werden können, die sowohl die Lebensdauer als auch die Wirtschaftlichkeit erhöhen.

 

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