Entwicklung metallischer PVD-Schichten für NiTi-Substrate mit großer Verformbarkeit

Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf dem Beschichten von pseudo-elastischen
Ni50,9Ti49,1-Legierungen mit einer Dicke von 1000 μm, da mit der Schicht die Röntgensichtbarkeit
der NiTi-Legierung gesteigert werden kann. Die abgeschiedenen metallischen
Schichten bestehen hauptsächlich aus den Refraktärmetallen Ta, Nb und Ti und
weisen eine Gesamtschichtdicke von 10 μm auf. Als Beschichtungsverfahren wird das
Magnetron-Hochleitungskathodenzerstäuben in nicht reaktiver Ar-Atmosphäre verwendet.
Die abgeschiedenen metallischen Schichten werden mit Hinblick auf deren Mikrostruktur,
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Morphologie und ausgewählte mechanische Eigenschaften untersucht. Das Bestimmen
der Mikrostruktur und Morphologie geschieht mit den folgenden Analyseverfahren:
Röntgendiffraktometrie (XRD), Raster- (REM) und Transmissionselektronenmikroskopie
(TEM). Die REM-Aufnahmen zeigen, dass die metallischen Schichten in
einer dichtgepackten Struktur mit säulenförmigen Körnern aufwachsen. Durch die Variation
der Modulationslänge der Viellagenschichten kam es zur Stabilisierung metastabiler
Phasen wie beispielsweise der tetragonale Ta-Phase. Das Stabilisieren der tetragonalen
Ta-Phase muss unterbunden werden, weil diese Phase ein sprödes Werkstoffverhalten
zeigt. Es wird unter Berücksichtigung der Querkontraktionszahl sowohl der Elastizitätsmodul
der Schichten (Nanoskala) als auch der Schicht/Substrat-Stoffverbunde (Mikroskala)
bestimmt. Ein Vergleich zwischen den Werten des Elastizitätsmoduls der abgeschiedenen
Werkstoffe (Vollmaterial, Literaturwerte) und den durch die Nanoindentierung
bestimmten Ergebnisse zeigt eine sehr gute Übereinstimmung zwischen den gemessenen
Werten und den Werten des Vollmaterials. Der Ritztest mit kontinuierlich zunehmender
Kraft und die Mikroindentierung werden zur Beurteilung der Haftfestigkeit der
metallischen Schichten auf NiTi-Substraten verwendet. Der Ritztest suggeriert, dass die
metallischen Schichten bei hohen Normalkräften plastisch verformt werden. Jedoch wird
unabhängig vom Schichtsystem und den verwendeten Testbedingungen kein Ablösen der
Schichten vom NiTi-Substrat beobachtet. Um einen möglichen Einfluss des Beschichtungsprozesses
auf das Umwandlungsverhalten von NiTi-Legierungen (Austenit ↔ Martensit)
beurteilen zu können, wird die Differentialthermoanalyse am Schicht/Substrat-
Stoffverbund angewendet. Diese Analyse zeigt, dass die metallischen Schichten hauptsächlich
die Phasenumwandlung des Martensits in den Austenit der NiTi-Substrate beeinflussen.
Die mechanische Belastbarkeit der metallischen Schichten wird mittels Zugversuch
bewertet. Der Vergleich zwischen unbeschichtetem und beschichtetem NiTi-Substrat zeigt, dass
die metallischen Schichten das pseudo-elastische Werkstoffverhalten
der NiTi-Legierungen nicht beeinflussen. Des Weiteren ist es gelungen, Nb-Einlagenschichten,
Ta-Nb-Vielagenschichten mit konstanter Einzellagendicke in Höhe von
8 nm und Ta-Ti-Viellagenschichten mit einem Dickenverhältnis der Einzellagen größer
gleich 2:1 als geeignete Schichtsysteme zur Steigerung der Röntgensichtbarkeit der NiTi-
Legierung zu identifizieren. Hiebei zeigen die Ta-Ti-Viellagenschichten mit einem Dickenverhältnis
der Einzellagen von 10:1 die größte Absorption von Röntgenstrahlung.

In this study, pseudo-elastic Ni50,9Ti49,1 alloy sheets of 1000 μm thickness were coated
with 10 μm thick refractory metal thin films, by non-reactive d.c. magnetron sputtering.
The aim of the deposited thin films is to enhance the radiopacity of the NiTi alloy. These
thin films were characterized with regard to their microstructure, morphology and selected
mechanical properties. Microstructural characterization of the thin films included XRay
Diffraction (XRD), Scanning Electron Microscopy (REM) und Transmission Electron
Microscopy (TEM) analyses. SEM images show, that the thin films grow in a densely
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packed structure with columnar grains. With the multilayer approach metastable phases
like tetragonal Ta can be observed in the metal thin films. The tetragonla Ta phase has to
be suppressed because of its brittle material behavior. The Young’s Modulus (consideration
of poisson‘s ratio) of both the thin films and thin film / substrate compounds were
investigated on various scales. For this purpose, indentation experiments were performed
using both nano- and microindentation techniques. A comparison of the values of the
Young’s Modulus of the thin film materials (in bulk, literature data) and the results obtained
from nanoindentation shows a very good agreement between the measured data
and bulk data. Progressive scratch tests and microindentation technique were used to evaluate
the adhesion of the thin films on the NiTi substrate. The scratch tests suggest that
the metallic thin films undergo plastic deformation at larger normal forces. However, no
thin film delamination is observed, independent of the material combinations and testing
conditions applied. To evaluate the potential impact of the surface coating and the deposition
process to the phase transition behaviour of the NiTi shape memory alloys, differential
scanning calorimetry (DSC) analyses on the thin film / substrate compounds were
done. These analyses show that the transition behaviour of NiTi substrate can be influenced
by metal thin films. The deposited thin films mainly influence the Martensite to
Austenite transition of the NiTi substrate. To evaluate the elasticity of the metal thin films
and the integrity of the compounds during elastic deformation, tensile tests were performed
on the thin film / NiTi compounds. A comparison between coated and uncoated NiTi
substrate reveals that the thin film does not change the fatigue behaviour of the NiTi substrate.
Moreover static and dynamic mechanical properties of metal coated NiTi shape
memory alloys will be observed in more detail. Conclusions and recommendations will
be given for a material selection of refractory thin films design as radiopaque coatings on
NiTi substrates for medical applications.