Diamond-like carbon and ceramic materials as protective coatings grown by pulsed laser deposition [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Yibran Argenis Perera Mercado

Magrowska

Informations

• Publié par: rheinisch-westfalischen_technischen_hochschule_-rwth-_aachen
• Publié le: 01 janvier 2003
• Nombre de lectures: 11
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 3 Mo

Extrait

Diamond-like carbon and ceramic
materials as protective coatings grown by
pulsed laser deposition




Von der Fakultät für Maschinenwesen
der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen

zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktors der Ingenieurwissenschaften
genehmigte



Dissertation



vorgelegt von



Yibran Argenis Perera Mercado
aus Caracas - Venezuela





Berichter: Universitätsprofessor Dr. rer. nat. Reinhart Poprawe M.A.

Universitätsprofessor Dr. techn. Prof. h.c. (RC) Erich Lugscheider




Tag der mündlichen Prüfung: 09. Dezember 2003




Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online
verfϋgbar




Berichte aus der Lasertechnik





Yibran Argenis Perera Mercado



Diamond-like carbon and ceramic materials
as protective coatings grown by
pulsed laser deposition









Aachen 2004







Vorwort

Die vorliegende Arbeit entstand neben meiner Tätigkeit als Gast
wissenschaftlicher Mitarbeiter (DAAD-Fundayacucho stipendium) des
Lehrstuhls für Lasertechnik der RWTH Aachen. Allen Mitarbeitern des
Lehrstuhls für Lasertechnik sowie des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik
möchte ich für die gute Zusammenarbeit danken.


Mein besonderer Dank gilt:

• Herrn Professor Dr. rer. nat. R. Poprawe, da er mir die Gelegenheit
gegeben hat, diese Doktorarbeit am Lehrstuhl für Lasertechnik der RWTH
Aachen und dem Fraunhofer Institut Lasertechnik Aachen durchzuführen.


• Ich danke dem Akademischer Direktor Herrn Dr. rer. nat. E. W. Kreutz für
seine Unterstützung während des gesamten Forschungsprogramms und
dafür, dass er mir die Gelegenheit gab, mit seiner herausragenden
Forschungsgruppe zusammenarbeiten zu dürfen. Besonderer Dank gilt
auch seinem ständigen persönlichen Einsatz und seiner Geduld, um die
Struktur und Inhalte der Arbeit ständig zu verbessern.


• Ich danke Herrn Prof. Dr.techn. Prof. h.c. (RC) Erich Lugscheider für die
Übernahme des Zweitberichts.


• Dank auch an Herrn Dr. J. Gottmann für seinen ständigen auch über seine
Pflichten hinausgegangenen gezeigten Einsatz bei der Unterstützung
meiner Arbeit. Besonderer Dank an Herrn Dipl.-Phys. G. Schlaghecken für
seine Unterstützung bei meiner Arbeit am LLT, sowie auch mein Dank an
Herrn Dipl.-Ing. H. Horn-Solle für seine XPS Analyse, und beiden für die
gute Zeit im Büro des Physikzentrums in Aachen. Generell gilt mein Danke
allen Mitgliedern der PLD-Gruppe am LLT und den ILT Kollegen.

• Die wichtigste Dank gilt meiner Familie und insbesondere meinen Eltern,
die mit ihrer uneingeschränkten Unterstützung und vielem mehr die
Voraussetzung für meine berufliche und personliche Entwicklung
geschaffen haben.



I
Index of contents
Chapter 1
State-of-the-art 1
1.1 The deposition of protective coatings...................…………………....….. 1
1.1.1 Optical ceramic coatings.........................……………..............…….2
1.1.2 Wear-resistive coatings.......................................………………….. 2
1.1.3 Refractory ceramic coatings...................................………………...3
1.2 Purpose and Objectives.............................................…………………… 5
Chapter 2
Fundamentals of Coatings 7
2.1 Superhard coatings.....................................................………………….. 7
2.1.1 Diamond coatings.........…..................................……………………8
2.1.1.1 Metastable diamond growth….........…................…………….8
2.1.1.2 Vapor growth of diamond….….........…................…………....9
2.1.1.3 Applications of diamond……….........…................……………10
2.1.2 Cubic boron nitride (c-BN)..................................……………………11
2.1.2.1 Structure and properties of B-N compounds………………… 11
2.1.2.2 Synthesis of bulk material………..……………………………. 12
2.1.2.3 Synthesis of thin films………...………………………………… 13
2.1.3 Diamond-like carbon (DLC)................................……………………15
2.1.4 Carbon nitride (CN )............................................………………….. 17 x
2.2 Hard coatings…………………………………………………………………19
2.2.1 Alumina-zirconia (Al O -ZrO ) composite coatings…………………19 2 3 2
2.2.2 Alumina..................................................................…………………20
2.2.3 Zirconia.................................................................................……...20
2.2.4 Silicon nitride (SiN )..................................................……………….21 x
Chapter 3
Experimental Set-up 23
3.1 Plasma generation.............................................................………………23
3.2 Pulsed Laser Deposition (PLD) .........................................………………24 II

3.3 Vacuum system................................................................………………..25
3.4 Radio frequency system.....................................................……………..26
3.5 Coating depositions.................................................................………….26
3.6 Substrates..…….....................................................…….…………………28
3.6.1 Pre-treatments..............................................…….………………….28
3.6.2 Passivation..............................................…….……………………...29
3.6.3 Tool steels..............................................…….……………………… 30
3.6.4 Tungsten carbide (WC-10%Co) ...........…….………………………. 31
Chapter 4
Characterization techniques 32
4.1 Ellipsometry.............................................................................………….32
4.2 Raman spectroscopy...........................................................…………….32
4.3 Scratch adhesion test.......................................................………………..32
4.4 Scanning electron microscopy (SEM).................................……………...33
4.5 Nanoindentation.....................................................................……………33
4.6 X-ray photoelectron spectroscopy (XPS)..........................………………33
4.7 Optical emision spectroscopy (OES)..............................………………... 33
4.8 X-ray diffraction (XRD).......................................................…………….. 33
Chapter 5
Silicon nitride (SiN ) coatings 34 x
5.1 Deposition and characterization.....................................…………………34
5.2 Plasma analysis.................................................................………………34
5.3 SiN coating properties...................……………………….……………….. 36 x
5.4 SiN buffer layer for DLC hard coatings..................……………………… 38 x
Chapter 6
Diamond-like carbon (DLC) coatings 43
6.1 Deposition……………………………………...............……………………..43
6.2 Polishing and chemical passivation of tool steels.............……………….43
6.3 Radio frequency argon-plasma cleaning.........................……………….. 44
6.4 Properties of diamond-like carbon (DLC)…………………………………. 45 III

6.4.1 Substrate preparation…………………………………………………. 45
6.4.2 Raman spectroscopy and X-ray photoelectron spectroscopy…… 46
6.4.3 Optical and scanning electron microscopy.....………………......…. 48
6.4.4 Mechanical testing and adherence evaluation............……………. 49
6.4.5 Adherence improvement by buffer layers........……....…………….. 51
6.5 Mechanical properties and deposition parameters..............……………..52
6.5.1 Processing gas pressure............................................…………….. 52
6.5.2 Hardness and Young's modulus.................................…………….. 54
6.5.3 Laser fluence..................................................................…………..56
6.5.4 Scratch adhesion test.............................................……………….. 60
6.6 Deposition on tungsten carbide………...........................………………...61
6.7 Engineering applications...................................................………………63
Chapter 7
Alumina-Zirconia (Al O -ZrO ) composite coatings 65 2 3 2
7.1 Deposition…….................................................……………………………65
7.2 Amorphous Al O -ZrO (85:15) composite coatings.…………………….. 65 2 3 2
7.3 Droplet production.................................................………………………..66
7.4 Annealing of Al O -ZrO (85:15) composite coatings………............…… 68 2 3 2
7.4.1 Processing gas pressure.......................................………………… 68
7.4.2 Laser fluence.........................................................………………… 69
7.5 Engineering applications..........................................……………………...71
Chapter 8
Conclusions...................................................................………………...…… 73
Summary.............................................................................................………76
Acknowledgments..............................................