The Master’s thesis is focused on reaming technology using PVD coated reamers with cermet cutting edge. This work point out a historical evolution of reaming technology as well as recent requirements to the quality of produced surfaces. Reamers characteristic, splitting, mechanical designs, cutting tool geometry as well as the assumption of a reamer potential evolution are presented. Application of cermet tool material and PVD coatings to reaming tools is considered. The work contains a review of present statement at reamer market including cermet reamers and provided single cells (elements) of the Tool Management. The experimental part of the work is focused on product manufacture qualities verification of the changeable PVD coated reamer head made by HAM-FINAL ltd. Economic analysis in case of investment to the reamer purchase is demonstrated on the example of the practical application of the reamer.

This thesis, in its theoretical part deals with the process of cutting, abrasion-resistant layers properties and their contribution to increasing of cutting properties. The second part of the thesis is experimental. It aims to determine, compare and subsequently evaluate cutting properties of threading tools using matrix taps with different types of PVD coatings. During implementation of the experiment, constant cutting conditions have been ensured and the only variable was the different types of coating layers. Outcome of the experiment is measurement of cutting torques in relation on time and rate of wear of cutting tools.

This diploma thesis deals with the durability of PVD coating in front groove milling. In the theoretical part there is the analysis of high-speed steels, a survey of milling and an overview of coating methods. The experimental part is focused on the power ratios during milling with a router cutter and its wear. From the experiment it is possible to conclude that nanocomposite coatings reduce cutting forces, but do not produce the most durable tool under the cutting conditions.

Hartstoffschichten ermöglichen die Verbesserung bewährter und die Entwicklung neuartiger Produkte. Bei geringstem Materialaufwand lassen sich mit solchen Schichten Wirkungen erzielen, die auf eine andere Weise nicht erreichbar wären. Dünne Hartstoffschichten bis 10 µm werden seit Jahrzehnten zum Verschleißschutz von Werkzeugen und Bauteilen eingesetzt. Der zu den PVD-Verfahren zählende Vakuumbogenprozess (Arc-PVD) wird in der Industrie in großem Umfang zur Abscheidung nitridischer Hartstoffschichten eingesetzt. Als besonders vorteilhaft sind dabei die hohe Ionenenergie im fast vollständig ionisierten Plasma, die damit verbundenen hervorragenden Schichteigenschaften (Mikrohärte, Haftung, Struktur) und die relativ unkomplizierte, robuste und flexible Anlagentechnik anzusehen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein nanostrukturierte AlCr(Si)N/TiN Hartstoffsystem entwickelt, welches sich mit dem Arc-PVD-Prozess homogen in Schichtdicken größer 50 µm aufbringen lässt und damit neue Einsatzbereiche für die Hartstoffbeschichtung eröffnet. Durch das definierte Schichtdesign im Nanometermaßstab kann einerseits das Eigenspannungsniveau stark abgesenkt werden und zusätzlich wird das Wachstum von Defektstrukturen unterdrückt. Die gewonnen Erkenntnisse bei der Herstellung dicker Schichten ermöglichen auch Verbesserungen der Eigenschaften dünner Schichten bis 10 µm.

Thermal barrier coatings (TBCs) are advanced material systems used in the hot sections of gas turbines. The TBCs are designed to provide insulation against hot gases by a ceramic top coat and to provide oxidation and corrosion resistance by a metallic bond coat. As the operating environment is harsh and complex, the TBC often requires stricter material properties. Failure of TBCs can limit the longevity of the turbine severely. In this study, failure caused by erosion has been the main focus. The erosion behaviour of TBCs processed by atmospheric plasma spay (APS), electron beam physical vapour deposition (EB-PVD), and plasma spray physical vapour deposition (PS-PVD) has been studied by an experimental investigation and a literature study. The erosion performance of different TBCs was studied by conducting erosion tests under 90° and 15° alumina particle impact (50 μm) and measuring the weight loss and thickness loss of the ceramic top coat. Variables affecting the erosion behaviour were studied by means of scanning electron microscopy (SEM), investigating the microstructure, the erosion damage, porosity content, and column density. Hardness tests were also conducted to investigate a potential correlation between hardness and erosion performance. It was evident that the 8YSZ top coat processed by EB-PVD had higher erosion resistance than APS, which in turn had higher erosion resistance than PS-PVD. Their microstructures are significantly different, resulting in different erosion failure mechanisms. APS TBCs have a splat-on-splat lamellar microstructure, and the failure mechanismsare ploughing of furrows, splat boundary failure, and tunneling via pores. In contrast, EB-PVD TBCs have columnar microstructure and fail by near-surface cracking. The investigated PS-PVD TBC had a feathery columnar microstructure, containing many large grain boundaries and flaws, making grain boundary failure the governing mechanism. The APS and EB-PVD TBCs impacted at a 90° angle had significantly higher erosion rates than those eroded at 15°, which also was reported in literature. However, the opposite was observed for the PS-PVD TBCs. The level of porosity and hardness of the TBC top coat was found to affect the erosion rate, even though no evident correlations could be observed in this study. No factor alone was found to dictate the erosion behaviour of the investigated TBCs. Based on the literature study and findings in the experimental study, a TBC with good erosion performance has, in general, low porosity, few defects, high hardness and high fracture toughness. Specifically for APS TBCs, good splat bonding is favourable and for EB-PVD and PS-PVD it recommended to have high column density, columns orthogonal to the substrate, and low gap width between the columns.

Gegenstand der wissenschaftlichen Arbeit ist der technologische Nachweis für die Erzeugbarkeit haftfester metallischer und keramischer Schichten auf textilen Flächengebilden mit den PVD-Technologien reaktives Magnetron-Sputtern und reaktives Vakuumbogen-Verdampfen. Basis für die Realisierung der experimentellen Untersuchungen sind sowohl vorhandene industrielle PVD-Beschichtungsanlagen, die im Batchbetrieb arbeiten, als auch Rollcoater als Bindeglied zwischen einer Labor- und einer Industrieanlage. Kern des Vorhabens sind umfangreiche Batchbeschichtungen auf Basis einer breit angelegten Experimentalmatrix bezüglich Substrat- und Schichtauswahl. Gängige Targetmaterialien sind Kupfer, Aluminium und Silber. Um zu zeigen, dass über das thermische Bedampfen hinaus neue Schichten und Schichtsysteme auf textilen Faserstoffen abgeschieden werden können, wurden zusätzlich die Targetmaterialien Titan und Zirkonium in die Untersuchungen einbezogen. Zur Herstellung sowohl metallischer als auch keramischer Schichten wird neben den technologischen Parametern Beschichtungszeit und Schichtmaterial der Reaktivgasfluss variiert. Als Substrate kamen zwei leichtgewichtige PA 6.6-Gewebe mit unterschiedlicher Bindung, ein kalanderverfestigter Vliesstoff aus PES und ein Spinnvliesstoff aus Kern-Mantel-Fasern mit einem PA 6 Mantel zum Einsatz. Zur Verbesserung der Schichthaftungen wurden Versuche zur Vorbehandlung mittels Plasmabehandlung in Argon und Sauerstoff, mit Gasphasenfluorierung sowie HMDSO-Behandlung mit einem PA 6.6-Gewebe durchgeführt. Im Anschluss an die Vorbehandlung wurden die Proben mit Titan und Titannitrid metallisiert. Die Charakterisierung der Substrat-Schicht-Verbunde erfolgt hinsichtlich - der chemischen Zusammensetzungen der Schichten mittels ESCA (Electron Spectroscopy for Chemical Analysis), - der Schichtstrukturen und Fasermorphologien mittels Rasterelektronenmikroskopie, - der E-Moduln an Referenzprobekörpern aus Edelstahl mittels Härtemessung, - der Schichthaftungen durch Waschversuche, Martindale-Scheuertest, Peel-Test und - der funktionellen Schichteigenschaften wie Oberflächenwiderstände, elektromagnetische Schirmdämpfung, Wärmedämmeigenschaften Im Ergebnis der experimentellen Untersuchungen werden grundlegende Erkenntnisse zum Einfluss der PVD-Technologien und der Prozessparameter auf genannte Schicht- und Fasereigenschaften aufgezeigt. Des Weiteren werden die Zusammenhänge zwischen Schichtstruktur, Fasermorphologie und Schichthaftung dargelegt. Aus den Ergebnissen werden Schlussfolgerungen für eine gezielte industrielle Anwendung und Vorschläge für weiterführende wissenschaftliche Arbeiten abgeleitet. Die PVD-Verfahren werden bezüglich ihrer Eignung für die Textilbeschichtung bewertet. / Subject of the scientific study is the technological proof for the possibility to generate well adherent metallic and ceramic layers on textile fabrics with the PVD technologies reactive magnetron sputtering and reactive arc evaporation. Basis for the experimental investigations were both an industrial PVD coating device of the batch-type and a roll-coater which is a connective link between a laboratory and an industrial coating device. Extensive batch coatings on basis of a broadly applied experimental matrix in terms of the choice of the substrate and layer material are basis of the project. Usual target materials were copper, aluminium and silver. Additionally, the target materials titanium and zirconium were included in the investigations in order to show that new layers and layer systems can be deposited on textile fabrics by means of the investigated PVD technologies in comparison with thermal evaporation. Apart from the technological parameters coating time and layer material, the reactive gas flow were varied to deposit both metallic and ceramic layers. Substrates used in this study were lightweight Pa 6.6 fabrics with different weaves of the fabric, a calender bonded nonwoven of PES and a spunbonded nonwoven consisting of sheath-core fibers of PES (sheath) and Pa 6 (core). In order to improve the adhesion of layers, different pretreatments of the PA 66 fabric were carried out by means of plasma treatment with argon and oxygen, gas phase fluorination and treatment with HMDSO respectively. Subsequently, the pretreated samples were metallized with titanium and titanium nitride. The characterisation of the substrate layer combinations were carried out regarding - the chemical compositions of the layers by means of ESCA (Electron Spectroscopy for Chemical Analysis), - the layer structures and fiber morphologies by means of raster electron microscopy, - the modulus of elasticity on reference specimens consisting of stainless steel by means of hardness measurement, - the layer adhesion by wash tests, Martindale abrasion test, peel tests and - the functional layer characteristics such as surface resistances, electromagnetic shielding, heat insulating characteristics In the result of the experimental investigations, extensive knowledge to the influence of the PVD technologies and process parameters on layer and fiber characteristics are presented. Furthermore, the correlation of layer structure, fiber morphology and layer adhesion are explained. Conclusions for a selective industrial application and suggestions for further scientific investigations are derived from the results. The PVD procedures are evaluated concerning their suitability for the coating of textiles.

Gegenstand der wissenschaftlichen Arbeit ist der technologische Nachweis für die Erzeugbarkeit haftfester metallischer und keramischer Schichten auf textilen Flächengebilden mit den PVD-Technologien reaktives Magnetron-Sputtern und reaktives Vakuumbogen-Verdampfen. Basis für die Realisierung der experimentellen Untersuchungen sind sowohl vorhandene industrielle PVD-Beschichtungsanlagen, die im Batchbetrieb arbeiten, als auch Rollcoater als Bindeglied zwischen einer Labor- und einer Industrieanlage. Kern des Vorhabens sind umfangreiche Batchbeschichtungen auf Basis einer breit angelegten Experimentalmatrix bezüglich Substrat- und Schichtauswahl. Gängige Targetmaterialien sind Kupfer, Aluminium und Silber. Um zu zeigen, dass über das thermische Bedampfen hinaus neue Schichten und Schichtsysteme auf textilen Faserstoffen abgeschieden werden können, wurden zusätzlich die Targetmaterialien Titan und Zirkonium in die Untersuchungen einbezogen. Zur Herstellung sowohl metallischer als auch keramischer Schichten wird neben den technologischen Parametern Beschichtungszeit und Schichtmaterial der Reaktivgasfluss variiert. Als Substrate kamen zwei leichtgewichtige PA 6.6-Gewebe mit unterschiedlicher Bindung, ein kalanderverfestigter Vliesstoff aus PES und ein Spinnvliesstoff aus Kern-Mantel-Fasern mit einem PA 6 Mantel zum Einsatz. Zur Verbesserung der Schichthaftungen wurden Versuche zur Vorbehandlung mittels Plasmabehandlung in Argon und Sauerstoff, mit Gasphasenfluorierung sowie HMDSO-Behandlung mit einem PA 6.6-Gewebe durchgeführt. Im Anschluss an die Vorbehandlung wurden die Proben mit Titan und Titannitrid metallisiert. Die Charakterisierung der Substrat-Schicht-Verbunde erfolgt hinsichtlich - der chemischen Zusammensetzungen der Schichten mittels ESCA (Electron Spectroscopy for Chemical Analysis), - der Schichtstrukturen und Fasermorphologien mittels Rasterelektronenmikroskopie, - der E-Moduln an Referenzprobekörpern aus Edelstahl mittels Härtemessung, - der Schichthaftungen durch Waschversuche, Martindale-Scheuertest, Peel-Test und - der funktionellen Schichteigenschaften wie Oberflächenwiderstände, elektromagnetische Schirmdämpfung, Wärmedämmeigenschaften Im Ergebnis der experimentellen Untersuchungen werden grundlegende Erkenntnisse zum Einfluss der PVD-Technologien und der Prozessparameter auf genannte Schicht- und Fasereigenschaften aufgezeigt. Des Weiteren werden die Zusammenhänge zwischen Schichtstruktur, Fasermorphologie und Schichthaftung dargelegt. Aus den Ergebnissen werden Schlussfolgerungen für eine gezielte industrielle Anwendung und Vorschläge für weiterführende wissenschaftliche Arbeiten abgeleitet. Die PVD-Verfahren werden bezüglich ihrer Eignung für die Textilbeschichtung bewertet. / Subject of the scientific study is the technological proof for the possibility to generate well adherent metallic and ceramic layers on textile fabrics with the PVD technologies reactive magnetron sputtering and reactive arc evaporation. Basis for the experimental investigations were both an industrial PVD coating device of the batch-type and a roll-coater which is a connective link between a laboratory and an industrial coating device. Extensive batch coatings on basis of a broadly applied experimental matrix in terms of the choice of the substrate and layer material are basis of the project. Usual target materials were copper, aluminium and silver. Additionally, the target materials titanium and zirconium were included in the investigations in order to show that new layers and layer systems can be deposited on textile fabrics by means of the investigated PVD technologies in comparison with thermal evaporation. Apart from the technological parameters coating time and layer material, the reactive gas flow were varied to deposit both metallic and ceramic layers. Substrates used in this study were lightweight Pa 6.6 fabrics with different weaves of the fabric, a calender bonded nonwoven of PES and a spunbonded nonwoven consisting of sheath-core fibers of PES (sheath) and Pa 6 (core). In order to improve the adhesion of layers, different pretreatments of the PA 66 fabric were carried out by means of plasma treatment with argon and oxygen, gas phase fluorination and treatment with HMDSO respectively. Subsequently, the pretreated samples were metallized with titanium and titanium nitride. The characterisation of the substrate layer combinations were carried out regarding - the chemical compositions of the layers by means of ESCA (Electron Spectroscopy for Chemical Analysis), - the layer structures and fiber morphologies by means of raster electron microscopy, - the modulus of elasticity on reference specimens consisting of stainless steel by means of hardness measurement, - the layer adhesion by wash tests, Martindale abrasion test, peel tests and - the functional layer characteristics such as surface resistances, electromagnetic shielding, heat insulating characteristics In the result of the experimental investigations, extensive knowledge to the influence of the PVD technologies and process parameters on layer and fiber characteristics are presented. Furthermore, the correlation of layer structure, fiber morphology and layer adhesion are explained. Conclusions for a selective industrial application and suggestions for further scientific investigations are derived from the results. The PVD procedures are evaluated concerning their suitability for the coating of textiles.

This Thesis presents two different deposition techniques for the synthesis of Ti2AlC coatings. First, I have fabricated Ti2AlC coatings by high velocity oxy-fuel (HVOF) spraying. Analysis with scanning electron microscopy (SEM) show dense coatings with thicknesses of ~150 µm when spraying with a MAXTHAL 211TM Ti2AlC powder of size ~38 µm in an H2/O2 gas flow. The films showed good adhesion to stainless steel substrates as determined by bending tests and the hardness was 3-5 GPa. X-ray diffraction (XRD) detected minority phases of Ti3AlC2, TiC, and AlxTiy alloys. The use of a larger powder size of 56 µm resulted in an increased amount of cracks and delaminations in the coatings. This was explained by less melted material, which is needed as a binding material. Second, magnetron sputtering of thin films was performed with a MAXTHAL 211TM Ti2AlC compound target. Depositions were made at substrate temperatures between ambient and 1000 °C. Elastic recoil detection analysis (ERDA) shows that the films exhibit a C composition between 42 and 52 at% which differs from the nominal composition of 25 at% for the Ti2AlC-target. The Al content, in turn, depends on the substrate temperature as Al is likely to start to evaporate around 700 °C. Co-sputtering with Ti target at a temperature of 700 °C, however, yielded Ti2AlC films with only minority contents of TiC. Thus, the addition of Ti is suggested to have two beneficial roles of balancing out excess of C and to retain Al by providing for more stoichiometric Ti2AlC synthesis conditions. Transmission electron microscopy and X-ray pole figures show that the Ti2AlC grains grow in two preferred orientations; epitaxial Ti2AlC (0001) // Al2O3 (0001) and with 37° tilted basal planes of Ti2AlC (101̅7) // Al2O3 (0001). / Report code: LIU-TEK-LIC-2008:15.

Estágio realizado na Mahle Componentes de Motores, S. A / Tese de mestrado integrado. Engenharia Metalúrgica e de Materiais. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2008

Tese de doutoramento. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009