Beschichtung von Bauteilen

Gegenstand des Projekts ist die Hochrateabscheidung dicker Molybdän-Schichten. Es wird sondiert, inwiefern damit ein alternativer Fertigungsweg für filigrane Bauteile aus diesem thermisch und mechanisch sehr beständigen Metall beschritten werden kann.

Molybdän als Werkstoff und als Schicht

Die Herstellung von feinen Blechen oder Röhrchen aus Molybdän ist technisch schwierig, da Molybdän bei hohen Temperaturen verarbeitet werden muss. Die Umformung erfolgt bei einer Temperatur von 700 °C, häufig gefolgt von Glühschritten bei über 1000 °C. Da das Metall oberhalb
von ca. 100 ppm Sauerstoffgehalt spröde wird, müssen alle Schritte unter Schutzgas durchgeführt werden. Daraus folgen hoher Energieaufwand und hohe Fertigungskosten. Aufgrund seiner Eigenschaften ist das Metall auch nicht für die pulverbasierte additive Fertigung geeignet.

Ein alternativer Weg zur Herstellung von filigranen Bauteilen aus Molybdän könnte die Abscheidung dicker Schichten des Materials auf einer Trägerstruktur aus einfach zu bearbeitendem Grundmaterial mit anschließender Trennung von Träger und Schicht sein. Um Bauteile mit einer ausreichenden Stabilität zu erzielen, müssen vergleichsweise dicke Schichten abgeschieden werden.

Die Gruppe Beschichtung Bauteile hat sich der Abscheidung dicker Molybdän-Schichten gewidmet, wobei die Herausforderung in der Beibehaltung eines dichten, porenfreien Gefüges besteht. Gleichzeitig dürfen die Spannungen in der Schicht, bzw. im Schicht-Substrat-Verbund, nicht zu groß werden, um ein spannungsinduziertes Schichtversagen oder eine Substratschädigung zu vermeiden.

Beim Puls-Magnetron-Sputtern stellt, neben dem Arbeitsdruck und der Abscheidetemperatur, die Wahl der Pulsparameter eine zusätzliche Möglichkeit dar, Einfluss auf das Gefüge und die inneren Spannungen der entstehenden Schichten zu nehmen. Werden diese im Verlauf des Schichtaufbaus verändert, kann ein Spannungsprofil erzeugt werden, welches die Integrität auch dicker Schichten gewährleistet. Mit diesen Maßnahmen konnten bislang Molybdän-Schichten von bis zu 50 µm Dicke abgeschieden werden. Um thermisch induzierte Spannungen, welche durch unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten von Substrat und Schicht entstehen, klein zu halten, muss auch ein geeignetes Trägermaterial gewählt werden. Bislang hat sich Glas bewährt, auf welchem Molybdän sehr gut haftet. Sogar so gut, dass zur Trennung der filigranen Bauteilstruktur eine dünne Zwischenschicht realisiert werden muss, welche das Schicht-Substrat-Interface gezielt schwächt. Die Trennung von Bauteil und Trägerstruktur steht aktuell im Fokus der Projektarbeit.