Temperaturbeständige tribologische Schutzschichten auf Basis Mo2N

01.04.2022

© Fraunhofer IWM
Abb. 1: Zeitliche Entwicklung der Reibwerte einer Mo2N-Schicht bei einer Temperatur von 600°C.

Dr. Lukas Gröner, Tobias Rosenstingl

Für das Erreichen der Klimaziele müssen Energieumwandlungssysteme wie turbinengetriebene Gaskraftwerke in ihrer Effizienz deutlich gesteigert werden, z.B. durch eine Steigerung der Betriebstemperatur. Dabei entstehen jedoch neue Anforderungen an die Beständigkeit tribologisch belasteter Materialien durch eine Kombination von Reibung und Verschleiß mit einer für höhere Temperaturen stark zunehmenden Oxidationsneigung. Bei tribologischen Systemen können ab einer Temperatur von ~250 °C keine flüssigen Schmierstoffe mehr verwendet werden und ab ~1000 °C werden auch feste Schmierstoffe wie Graphit oder MoS2 aufgrund starker Oxidation unbrauchbar.

Ein Ansatz zur Bewältigung dieser Herausforderung ist die Verwendung von selbstschmierenden Schutzschichten. Speziell Übergangsmetalle und deren Nitride wie W, Mo oder Ti können bei höheren Temperaturen kontrolliert oxidiert werden. Unter definierten Prozessbedingungen bilden sich dabei sub-stöchiometrische Oxide aus, welche tribologisch vorteilhafte Eigenschaften aufweisen. Diese sog. Magneli-Phasen widerstehen hohen Temperaturen und können durch das Aufwachsen unter Prozessbedingungen auch nach einer Ablösung neu gebildet werden [1]. Aufgrund der hohen Anzahl an Gleitebenen haben diese Oxide meist Reibkoeffizienten zwischen 0,2-0,4 [2].

Für Untersuchungen an diesen Oxiden wurde mittels reaktivem Magnetron-Sputtern Mo2N-Schichten auf TZM-Substraten abgeschieden. Dabei wurden die Parameter Prozessdruck, Reaktivgasfluss und Sputterleistung variiert. Zur Untersuchung der Oxidationskinetik wurde eine in-situ Hochtemperatur-Ramananalyse durchgeführt. Die tribologischen Eigenschaften der Schichten wurden an einem reversierenden Tribometer (SRV 4, Optimol Instruments) mit Linienkontakt (liegender Zylinder auf Scheibe) bei Temperaturen bis zu 600 °C und initialen Hertzschen Pressungen im MPa-Bereich untersucht. Dabei konnten temperaturabhängige Reibkoeffizienten gemessen und der resultierende Verschleiß mittels weisslichtinterferometrischer Aufnahmen der Oberfläche ermittelt werden. Bei einer Temperatur von 600 °C konnte im Einlaufverhalten ein vorteilhaftes Reibregime identifiziert werden, bei welchem sich kurzzeitig Reibkoeffizienten von ca. 0,4 einstellten. In zukünftigen Experimenten soll dieses Regime detailliert untersucht werden, um diesen vorteilhaften Reibwert im Hochtemperaturbereich für längere Zeiten zu stabilisieren.

[1] M. Woydt, A. Skopp, I. Dörfel and K. Witke, Tribol. Trans. 42 (1999), 21–31
[2] A. Erdemir, Trib. Lett. 8 (2000), 97-102

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