Versagensmechanismen von PVD-Beschichtungen auf CFK unter Erosionsverschleiß

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-Beschich-tungen 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.