ナノ構造セラミックコーティングは疲労しないことが研究で判明

Oct 01, 2023

2022年11月17日

ウィーン工科大学による

非常に薄いセラミックコーティングは、技術コンポーネントの特性を完全に変える可能性があります。 コーティングは、たとえば、熱や腐食に対する金属の耐性を高めるために使用されます。 コーティングプロセスは、大型タービンブレードや生産技術において極度に応力がかかる工具に重要な役割を果たします。

TU Wien (ウィーン) は現在、そのようなコーティングの安定性を決定する要因を調査しています。 そして、その結果の一部はハンブルクの DESY シンクロトロンで得られたものですが、非常に驚​​くべきものです。セラミック層は金属とはまったく異なる方法で分解します。 材料疲労はほとんど影響しません。 決定的な要因は、極度の荷重ピークの強さ (いわゆる応力拡大係数) です。 この発見は、薄膜の抵抗を測定するために使用される方法を変更し、将来的には薄膜の抵抗をさらに改善するでしょう。

この研究は『Acta Materialsia』に掲載されています。

「多くの用途において、周期的な負荷は大きな問題です」とウィーン工科大学材料科学研究所の応用表面およびコーティング技術研究グループの責任者であるヘルムート・リードル教授は言います。 「金属部品に一定の力を繰り返し加えると、微細なスケールで変化が起こります。」 一部の原子が移動し、層が形成されて互いに滑り、小さな亀裂が発生し、最終的にはコンポーネント全体の破壊につながる可能性があります。 このような材料疲労の影響は工学分野で広く見られ、よく研究されています。

しかし、応力下で薄いコーティングに何が起こるかはあまり明らかではありません。 「セラミック コーティングの厚さは、多くの場合、わずか数ナノメートルから 10 μm であり、その挙動は固体のセラミックのそれとはまったく異なります」と、応用表面およびコーティング技術研究グループで博士論文の執筆に取り組んでいるルーカス ザウナー氏は言います。

この挙動を最も深く理解するために、ウィーン工科大学ではまったく新しい測定方法が開発されました。通常行われているように、金属とセラミックコーティングを一緒にテストする代わりに、チームは金属を省略し、通常使用されるさまざまなセラミック材料の非常に薄いサンプルを作成しました。薄膜テクノロジーを使用し、正確に定義された方法でさまざまな負荷に繰り返し、最大 1,000 万回さらします。

その結果セラミックの原子構造が変化するかどうかを正確に調べるために、チームは実験設備をハンブルクに持ち込んだ。そこではDESYのシンクロトロンで非常によく集束したX線が利用可能であり、それを使って調べることができる。荷重実験中のサンプルのさまざまな点。 この方法では、結晶構造や隣接する原子間の距離の小さな変化さえも検出できるはずです。

しかし驚くべきことに、これらの測定結果から、セラミックは実質的に変化しないことがわかりました。 数百万回の荷重サイクルでも材料疲労は生じません。 「標準的なセラミックは、私たちが知っている金属の疲労と同様に、特定のパターンに従って疲労します。しかし、これらの非常に薄い層はこのような挙動を示しません。」とヘルムート・リードル氏は言います。 「それらの微細構造は、最初と最後でも同じです。」

これは、薄層の耐久性がその破壊靱性によってもっぱら決まることを意味します。材料の荷重制限特性を超えると、層は突然かつ不可逆的に破壊されます。 ただし、この制限を下回るすべての荷重は問題ではなく、セラミック層を老化させることはなく、実質的に影響はありません。

「もちろん、これにより、新しく改良されたセラミックコーティング材料の研究プロジェクトの設計方法も変わります」とヘルムート・リードル氏は言う。 「長期間にわたる長期間の試験を行う必要はありません。簡単な荷重試験によって、どの材料がどのような力の下で破損するかを調べるだけで十分です。材料の疲労効果を軽減する方法について心配する必要はありません。可能な限り最高の破壊靱性を持つ材料を見つけなければなりませんが、これだけでも簡単な作業ではありません。」

研究チームはすでに、これに適した優れた候補を見つけることができました。ある種の二ホウ化クロムは、テストで驚くほど耐性があることが判明しました。 これにより将来への道が開かれ、研究が大きな成功を収めることが期待されます。

詳しくは： L. Zauner et al、ナノ構造薄膜の破壊および疲労耐性の評価、Acta Materialsia (2022)。 DOI: 10.1016/j.actamat.2022.118260

雑誌情報:材料ジャーナル

ウィーン工科大学提供