Innere Spannungen, auch Eigenspannungen genannt, sind mechanische Spannungen, die in einem Material verbleiben, auch wenn keine äußeren Kräfte oder Belastungen vorhanden sind. Diese Spannungen können durch verschiedene Prozesse wie plastische Verformung, Wärmebehandlung, chemische oder Phasenänderungen, Dünnschichtabscheidung oder Schweißen erzeugt werden. In dünnen PVD-Schichten erreichen Druckspannungen Werte um 2 GPa. Experimentell ist es jedoch möglich, spannungsfreie Schichten bzw. mit Spannungen von 7–9 GPa herzustellen. Solche hohen Eigenspannungen können die mechanischen Eigenschaften des Substrats grundlegend beeinflussen, insbesondere seine Festigkeitseigenschaften und die Widerstandsfähigkeit gegen Ermüdungsprozesse bei zyklischer Belastung. Das Vorhandensein innerer Druckspannungen kann zu einer Erhöhung der Ermüdungsgrenzen und damit zu einer Verlängerung der Lebensdauer von Bauteilen führen, die periodischen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind.

Der Ursprung von Eigenspannungen in PVD-Schichten liegt hauptsächlich in der Verformung von Kristallgittern, die unter Nichtgleichgewichtsbedingungen der Abscheidung auftritt, und bei höheren Abscheidungstemperaturen dann in unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Schichten und darunter liegenden Materialien.

Messung

Eine typische Methode zur Messung der Eigenspannungen von PVD-Schichten ist die Verwendung der Röntgenbeugung in der Bragg-Brentano-Konfiguration GAXRD (glancing angle XRD – Glanzwinkel XRD). Aus den erhaltenen Beugungsprofilen wird die Größe der Gitterparameter bestimmt und durch Vergleich mit den Werten der theoretischen spannungsfreien Gitterparameter werden Art und Wert der Eigenspannungen berechnet. Die Methode ist instrumentell recht anspruchsvoll. Die weltweite Kapazität auf diesem Gebiet liegt bei Prof. David Rafaja von der TU Freiberg https://tu-freiberg.de/en/fakult5/iww/contact-and-team.

Ein Beispiel für die Beugungsprofile verschiedener Varianten der TiAlN-Schicht ist in Abb. 1 aus dem Artikel von Prof. Rafaji dargestellt.

Eine weniger anspruchsvolle und betrieblich sehr einfache Messung der Makrospannung ist die Bestimmung der Verformung von dünnen, einseitig beschichteten Bändern. Die Eigenspannung wird durch ihre Durchbiegung kompensiert. Ein Beispiel für eine Messung ist in Abb.2 dargestellt.

Werte

• unterstöchiometrisches CrNx, WCx 0-1 GPa
• gängige PVD-Schichten TiN, CrN, AlTiN, AlCrN 1-2 GPa
• TiCN, TiSiN, TiB2 2-3 GPa
• ta-C > 4GPa
• xperimentelle Schichten7-9 GPa

Referenzen

• einer der tollen Artikel von Prof. Rafaji – SCT16: Ch.Wustefeld, D,Rafaja, Effect of the aluminium content and the bias voltage on the microstructure formation in Ti1-xAlxN protective coatings grown by cathodic arc evaporation, Surface&Coatings Technology 205 (2010) 1345-1349.

Anwendung

Eine technisch interessante Anwendung ist die Beschichtung von 3D-gedruckten Strukturteilen zur Verbesserung des Ermüdungsverhaltens. Die PVD-Beschichtung schafft eine Oberflächenbarriere gegen die Bildung und Ausbreitung von Ermüdungsrissen, die mit der inhomogenen Struktur des 3D-Drucks verbunden sind.