Der Arbeitsbereich Angewandte Oberflächentechnik beschäftigt sich mit der Entwicklung und Erforschung von neuartigen Beschichtungsmaterialien die zum Schutz und der Funktionalisierung von hochbeanspruchten Präzisionskomponenten eingesetzt werden sollen.

Im Detail werden neuartige, umweltfreundlichere Oberflächenlösungen für hochbelastete Komponenten gesucht, die insbesondere in der Luftfahrt und im Transportwesen sowie im Bereich der Energieerzeugung Anwendung finden sollen. Prominente Beispiele sind Turbinenkomponenten, welche in Gasturbinen oder stationären Wärmekraftmaschinen eingesetzt werden, aber auch Bauteile aus dem Bereich der erneuerbaren Energien.

Die spezielle Herausforderung liegt darin, dass durch den Einsatz dieser Schichtmaterialien (hergestellt mittels PVD-Verfahren) – welche nur wenige Mikrometer dünn sind – die Leistungsfähigkeit und Effizienz verbessert werden soll. Anschauliche Beispiele sind thermische oder erosionsfeste Schutzschichten aber auch Alternativsysteme zu bestehenden Schichtwerkstoffe, die einerseits limitiert vorhanden (speziell im Bereich von H2 basierenden Technologien) oder auch bedenklich in ihrer Verwendung sind (zB Verbote im Bereich der Galvanik von Chrom). Die Grundidee liegt darin, Schichtwerkstoffe von der atomaren Ebene bis hin zur Anwendung zu designen, um ideale Ergebnisse zu erzielen. Für dieses ambitionierte Ziel spielen unsere Industriepartner Plansee, Oerlikon Surface Solutions AG und MTU Aero Engines eine wichtige Rolle als Bindeglied zwischen Wissenschaft und der realen Anwendungswelt.

Speziell bei Präzisionsbauteilen in der Luftfahrtindustrie und Energieerzeugung ermöglichen Beschichtungsmaterialien neue Design- und Betriebsmöglichkeiten, und sind daher ein wichtiger Bestandteil um zukünftige Ziele in Bezug auf Effizienz und Leistungsfähigkeit zu erfüllen.

Grafische Darstellung einer Oberflächenbeschichtung

© E308-01-2

Angewandte Oberflächentechnik ist im Forschungsgebiet Werkstoffwissenschaften angesiedelt, und stellt eine Subdisziplin dar. Um die Eigenschaften eines Grundmaterials gezielt durch Beschichtungen verbessern oder funktionalisieren zu können, ist nicht nur das grundlegende Verständnis der Materialkunde unumgänglich, sondern auch detaillierte Kenntnisse über die Beschichtungstechnik sowie hochauflösende Charakterisierungsmethoden von großer Bedeutung. Die nur wenige Mikrometer dünnen Schichtmaterialien erfordern ein Design auf atomarer Ebene, da kleinste Anpassungen große Eigenschaftsänderungen mit sich ziehen.

Die gezielte Verbesserung von Materialeigenschaften durch Oberflächentechnik ist in verschiedensten Industriebereichen enorm wichtig (Mobility, Luftfahrttechnik, Energieproduktion, Mikroelektronik oder auch Medizintechnik). Eine Schlüsseltechnologie stellt hier die physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) dar, welche vielseitige Designmöglichkeiten in Bezug auf Schichtwerkstoffe und Architekturen aufweist. Diese findet in diversen Industriebereichen enorme Anwendung wie zB für Verschleißschutzschichten im Automotiv-Sektor, Beschichtungen für Werkzeuge in der zerspannenden Industrie, oder auch in der Produktion von Mikrochips.

Ein stetig steigender Trend ist die Beschichtung von hochbelasteten Präzisionskomponenten – wie zB Komponenten im Turbinenbau, der Energieerzeugung aber auch Speicherung – um die Effizienz und Einsatzfähigkeit stark zu verbessern. Speziell in diesen Bereichen treffen wichtige wissenschaftliche Fragestellungen grundlegende Bedürfnisse der Industrie. Dies spiegelt sich auch in einer regen Forschungsaktivität in der internationalen Wissenschaftswelt nieder. Ein wichtiger Faktor ist auch die „Time-to-Market ratio“, welche für Beschichtungsmaterialen deutlich kürzer als bei den zu beschichteten Strukturbauteilen ist.

Grafische Darstellung einer Oberflächenbeschichtung

© E308-01-2

In der experimentellen Exploration von neuartigen Schichtmaterialen liegt ein grundlegend hoher Innovationsgehalt, da diese Materialien oft nur im Ansatz verstanden und beschrieben sind. Im Vergleich zu „State of the Art“ Systemen – wie TiN oder TiAlN motiviert durch Bedürfnisse der Zerspannungstechnik oder Mikroelektronik – erfahren neuartige Systeme wie Boride oder Karbide ein sehr weites Anwendungsspektrum. Meist sind diese Systeme für ihre thermische Stabilität oder hohe Härte bekannt, aber weisen durch konsequentes Erforschen neue Eigenschaften wie Duktilität, extreme chemische Beständigkeit oder auch Supraleitung auf.

Unser wissenschaftliche Alleinstellungsmerkmal besteht darin, dass neuartige Schichtmaterialien von der Anwendungsproblematik, über die Synthese, bis hin zum atomaren Aufbau im Detail konzipiert werden. Oftmals können diese wenige Mikrometer dünnen Schichtmaterialien große Effekte erzielen. Speziell in großen industriellen Umgebungen wie der Energieerzeugung oder Luftfahrtbranche sind selbst kleine Effizienzsteigerungen, zB durch thermisch stabile Erosionsschutzschichten, von großer Bedeutung. Ein weiterer innovativer Aspekt in der Anwendung von neuartigen Beschichtungsmaterialien liegt in der grundsätzlichen Lebensdauerverlängerung von hochbelasteten Komponenten, welche meist energie- und rohstoffintensiv in der Herstellung sind.

Um neuartige Beschichtungsmaterialien vom Labormaßstab in die Industrie zu transportieren, spielen diverse Faktoren von der Targetherstellung (Rohstoff für eine PVD Beschichtung), über den Beschichtungsprozess selbst, bis hin zur Anpassung an das zu beschichtende Grundmaterial eine große Rolle. Auch hier setzen wir an und versucht Schichtwerkstoffe von der atomaren Ebene bis hin zur Anwendung unter der Berücksichtigung all dieser Aspekte zu designen.