Versagensmechanismen von PVD-Beschichtungen auf CFK unter Erosionsverschleiß

Maurer, Christoph; Schneider, Jochen M.

doi:33533

Versagensmechanismen von PVD-Beschichtungen auf CFK unter Erosionsverschleiß = Failure mechanisms of PVD coatings on CFRP subjected to solid particle erosion

Maurer, Christoph (Author)

2014

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Christoph Maurer

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2014

UmfangX, 105 S. : graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2014

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Schneider, Jochen M. (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2014-02-24

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-49758
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/229062/files/4975.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Erosionsverschleiß (Genormte SW) ; Verschleißschutz (Genormte SW) ; PVD-Verfahren (Genormte SW) ; Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; solid particle erosion (frei) ; physical vapor deposition (frei) ; carbon fiber reinforced polymer (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Nutzbarkeit von kohlefaserverstärkten Kunststoffen (CFK) für Anwendungen in der Luftfahrt wird durch den schlechten Erosionswiderstand des Werkstoffes stark eingeschränkt. Die Entwicklung von geeigneten Erosionsschutzschichten soll diesen Nachteil ausgleichen und die Einsetzbarkeit von CFK weiter steigern. Daher wurden metallische und keramische Dünnschichten im Rahmen der vorliegenden Arbeit mittels Magnetronsputtern auf CFK-Werkstoffe abgeschieden, um deren Erosionswiderstand zu steigern. Als Substratwerkstoff wurden zwei unterschiedliche faserverstärkte Kunststoffe eingesetzt, die sich durch das verwendete Matrixpolymer unterscheiden. Ein industriell gefertigtes CFK auf Basis von Epoxidharz (CF-Epoxid) wurde hierbei vergleichend mit kohlefaserverstärktem PEEK (CF-PEEK) betrachtet. Die Auswahl der Schichtwerkstoffe zielte auf eine breite Streuung der mechanischen Eigenschaften ab. Auf der Seite der metallischen Werkstoffe fiel die Wahl auf Aluminium, Titan und Chrom, welche durch keramisches Titannitrid (TiN) ergänzt wurden. TiN wurde hierbei sowohl in monolithischer Form als auch in mehrlagigen Schichtsystemen in Verbindung mit Titan abgeschieden. Die Prüfung des Erosionswiderstandes erfolgte schwerpunktmäßig bei einem Prüfwinkel von 90° und einer Partikelgeschwindigkeit von 65 m/s. Ausgewählte Beschichtungen wurden jedoch ebenfalls bei 90° mit einer gesteigerten Prüfgeschwindigkeit von 94 m/s getestet, sowie bei einem variierten Prüfwinkel von 20° und 65 m/s. Rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen und eine dynamische FEM-Modellierung dienten als Grundlage für die Analyse der vorherrschenden Fehlermechanismen. Basierend auf den Ergebnissen wurde ein neuartiger zweistufiger Schädigungsprozess entwickelt, der durch die Schichtdicke definiert wird. Besitzen die Beschichtungen eine Schichtdicke, welche unterhalb eines kritischen Wertes liegt, bestimmt der starke Substrateinfluss das Erosionsverhalten. Die Kombination der steifen Beschichtungen mit dem flexiblen polymeren Substrat führt bei vertikaler Lastaufbringung zu einer substratgetriebenen vertikalen Rissbildung, die eine hohe Erosionsrate begünstigt. Die Steigerung der Schichtdicke über den kritischen Wert hinaus reduziert jedoch den Substrateinfluss, woraus Erosionsmechanismen resultieren, die durch den Schichtwerkstoff dominiert werden. Der Erosionswiderstand der Beschichtung steigt an und es kann eine Schutzwirkung für das CFK-Substrat generiert werden. Die Wahl des CFK-Werkstoffes legt hierbei zwar maßgeblich die Fehlermechanismen im Bereich der substratgetriebenen Erosion fest, jedoch wird die eigentliche Leistungsfähigkeit der Beschichtungen davon nur unwesentlich beeinflusst. Bei einer Prüfgeschwindigkeit von 65 m/s und einem Prüfwinkel von 90° wurde mit den 30 µm dicken Titan-Beschichtungen der beste Erosionsschutz realisiert. Die 30 µm Titan-Schicht auf CF-Epoxid konnte, gemessen am Massenverlust, die Erosionsrate um den Faktor 5 senken. Die Titan-Beschichtungen leisteten auch auf CF-PEEK den besten Erosionsschutz. Allerdings wurde für das CF-PEEK Substrat eine sehr geringe Erosionsrate unter 90° gemessen, sodass Titan im Vergleich zu dieser geringen Erosionsrate den Erosionswiderstand des Substrates nicht verbessern konnte. Wird die unterschiedliche Dichte der Werkstoffe berücksichtigt, so ergibt sich jedoch auch für die Titan-Schicht auf CF-PEEK eine Verbesserung des Erosionswiderstandes um einen Faktor von 2. Wird der Prüfwinkel auf 20° abgesenkt, entscheidet vorwiegend die Härte der Beschichtungen über den Erosionsschutz. Da der Massenverlust von CF-Epoxid und CF-PEEK unter diesen Messbedingungen nahezu identisch war, konnte auf beiden Substraten mit 30 µm dicken Ti/TiN (1:10) Multilayer-Schichten der Erosionswiderstand, gemessen am Massenverlust, um den Faktor 4 verbessert werden. Bauteile werden jedoch in der Praxis oftmals bei stark variierenden Prüfwinkeln beansprucht. Ein guter Kompromiss aus Duktilität und Härte konnte mit den Ti/TiN (1:1) Mehrlagensystemen realisiert werden, welche sowohl unter 90° als auch unter 20° einen guten Erosionsschutz leisten. Wird die Partikelgeschwindigkeit gesteigert, zeigen sowohl die durchgeführten Versuche als auch das FEM-Modell, dass mit einer starken Abnahme der Schutzwirkung der Beschichtungen zu rechnen ist. Die Leistungsfähigkeit der Schichten sollte daher weiter optimiert werden. Maßnahmen hierzu sind die Steigerung der Schichtdicke, die Optimierung der Schichtarchitektur und Schichthaftung, sowie die Steigerung der Steifigkeit und Härte des Substratwerkstoffes zur Reduktion von Substratverformungen.

The poor erosion resistance of carbon fibre reinforced polymers (CFRP) causes severe problems if the material is subjected to solid particle erosion. In this work erosion resistant coatings have been developed to overcome this problem and to further increase the usage of CFRP in aerospace industry. Several metallic and ceramic thin film coatings, which were produced by magnetron sputtering, were deposited on two different CFRP substrate materials. An industrially produced CFRP material based on epoxy resin (CFR-epoxy) was compared to reinforced PEEK (CFR-PEEK) in order to evaluate the influence of different matrix materials. Metallic aluminum, titanium, and chromium coatings were deposited on both substrates. In addition, different ceramic TiN films either as monolithic or Ti/TiN multilayers were used. All coatings were erosion tested at an impact angle of 90° and a particle velocity of 65 m/s. Selected coatings were also examined at higher particle speeds of 94 m/s and 90°. In addition, testing at 20° was performed as well, using again a testing speed of 65 m/s. Scanning electron microscopy and FEM modeling were used to investigate different failure mechanisms. Based on the obtained results a novel failure model was developed. According to this model the erosion process can be divided into two stages, which are defined by the coating thickness. If the film thickness is lower than a critical value, substrate driven failure mechanisms will dominate the erosion process, which will lead to a poor erosion resistance of the coatings. If the film thickness is increased above the critical value, the substrate influence is reduced and the coating material is eroded due to coating driven failure. At this stage of erosion, the protective effect of the coating increases and the erosion behavior of the substrate material can be improved. The different matrix polymers of the CFRP substrates influence the failure mechanisms in the substrate driven stage of the erosion process, while the overall performance of the coatings is hardly affected by the different substrate properties. For testing at 90° and 65 m/s the 30 µm thick titanium coatings offer the best erosion protection on CFR-epoxy. The mass loss of the substrate material is improved by a factor of 5. The titanium coating performs also best on CFR-PEEK, however, a low erosion rate of the substrate itself was measured for erosion at 90°. Therefore, the coating material is not able to further improve this low erosion rate. But considering the materials’ densities, the titanium coating can improve the erosion resistance of CFR-PEEK by a factor of 2. When reducing the angle of impingement to 20° the hardness of coating material determines the erosion protection. A Ti/TiN (1:10) multilayer coating can improve the erosion resistance up to factor of 4 for both substrate materials, as similar mass loss results were measured for both CFRP substrates. However, at most technical applications erosion occurs at different angles of impact. The tested coating systems show, that a Ti/TiN (1:1) multilayer system can offer good protection at 90° as well as at 20° angle of impact. Both results and FEM modeling indicate that the protective function of the coatings decreases strongly if the particle velocity is increased. The performance of the coatings should therefore be improved. It is recommended to increase the film thickness and to optimize the multilayer structures of the coatings as well as film adhesion. Another possibility is to increase hardness and stiffness of the CFRP materials near the polymer-coating interface to reduce substrate deformation.

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