Oberflächenmodifikation von Aluminiumlegierungen mit Laserstrahlung: Prozessverständnis und Schichtcharakterisierung

Erscheinungsjahr 2010
ISBN: 978-3-8316-0959-8
Verlag: utzverlag GmbH

Buch, Deutsch, Band 58, 234 Seiten, Format (B × H): 148 mm x 210 mm, Gewicht: 299 g

Reihe: Laser in der Materialbearbeitung

Durch Oberflächenmodifikation von Aluminiumlegierungen mit Laserstrahlung können Randschichten mit verbesserten Eigenschaften für mechanische, tribologische, chemische und thermische Beanspruchungen erstellt werden. Diese Arbeit untersucht unterschiedliche Laseroberflächenverfahren, die Systemtechnik mit verschiedenen Pulverdüsen und Laserstrahlquellen in Kombination mit diversen Zusatzwerkstoffen.
Auf der Basis von Hochgeschwindigkeitsaufnahmen werden Grundlagen und das Verständnis von physikalischen Wechselwirkungsmechanismen vermittelt. Ebenso wird der Prozesswirkungsgrad berechnet und beschrieben, wie Prozessparameter und schnelle Erstarrung das Schichtgefüge beeinflussen.
Die Ergebnisse schaffen Zugang zu einer innovativen Technologie. Sie dienen – z.B. bei der Steigerung der spezifischen Motorleistung in der Kraftfahrzeugtechnik oder bei Reparaturbeschichtungen im Werkzeugbau – zur Erschließung von Anwendungen hoher Qualität.

Autoren/Hrsg.

Ott, Agnes

Inhaltsverzeichnis

1;Kurzfassung der Arbeit;8
2;Inhaltsverzeichnis;10
3;Verzeichnis der Symbole;14
4;Extended Abstract;20
5;1 Einleitung;24
6;2 Stand der Technik;26
6.1;2.1 Verfahren des Laseroberflächenveredelns von Al- Legierungen;26
6.2;2.2 Physikalische Grundlagen;29
6.2.1;2.2.1 Absorption von Laserstrahlen;29
6.2.2;2.2.2 Wärmeleitung im Bauteil;34
6.2.3;2.2.3 Extinktion an metallischen Partikeln;35
6.2.4;2.2.4 Energieeinkopplung beim Laserbeschichten;42
6.2.5;2.2.5 Vorgänge in der schmelzflüssigen Phase;46
6.2.6;2.2.6 Schichteigenschaften und -fehler;67
6.3;2.3 Grund- und Zusatzwerkstoffe;73
6.3.1;2.3.1 Zusatzwerkstoffe beim Oberflächenveredeln von Al- Legierungen;73
6.4;2.4 Vergleich zu anderen Beschichtungsverfahren;80
6.4.1;2.4.1 Thermische Spritzverfahren;81
6.4.2;2.4.2 Auftragschweißen;82
6.5;2.5 Industrielle Anwendungen und Perspektiven;84
7;3 Motivation und Aufgabenstellung;88
8;4 Versuchsanordnung und untersuchte Werkstoffe;90
8.1;4.1 Untersuchte Grundwerkstoffe;90
8.2;4.2 Untersuchte Zusatzwerkstoffe;91
8.2.1;4.2.1 Metallische Zusatzwerkstoffe;91
8.2.2;4.2.2 Hartstoffverstärkte Zusatzwerkstoffe;92
8.3;4.3 Eingesetzte Strahlquellen;95
8.4;4.4 Pulverdüsen und Pulverförderer;95
9;5 Experimente zur Vertiefung des Prozessverständnisses;98
9.1;5.1 Versuchsbeschreibung zur Prozessbeobachtung;98
9.2;5.2 Oberflächenströmung beim Laserumschmelzen;100
9.3;5.3 Beobachtungen beim Dispergieren mit karbidischen Hartstoffen;104
9.4;5.4 Beobachtungen beim Beschichten mit Pulvermi-schungen;119
9.5;5.5 Beobachtungen beim Beschichten mit metallischen Zusatzwerkstoffen;120
9.5.1;5.5.1 Startphase des Beschichtungsprozesses;121
9.5.2;5.5.2 Einfluss der Pulverförderrate und des Zusatzwerkstoffes;122
9.5.3;5.5.3 Einfluss der Laserleistung;126
9.5.4;5.5.4 Einfluss der Vorschubgeschwindigkeit;129
9.5.5;5.5.5 Einfluss des Schutzgases;129
9.5.6;5.5.6 Einfluss der Vorschubrichtung;133
9.6;5.6 Synopsis;135
10;6 Untersuchungen zur Prozesseffizienz;137
10.1;6.1 Experimentelle Untersuchungen zur Pulverextinktion;137
10.1.1;6.1.1 Betrachtung des Pulverstrahls;137
10.1.2;6.1.2 Versuchsaufbau für Transmissionsmessungen;141
10.1.3;6.1.3 Transmission bei lateraler Pulverzufuhr;143
10.1.4;6.1.4 Transmission bei koaxialer Pulverzufuhr;145
10.2;6.2 Experimentelle Untersuchungen zum Einkoppelgrad;147
10.2.1;6.2.1 Messverfahren zur Ermittlung des Einkoppelgrades;147
10.2.2;6.2.2 Messaufbau und Auswertung der Messungen;149
10.2.3;6.2.3 Energieeinkopplung bei lateraler Pulverzufuhr;150
10.2.4;6.2.4 Energieeinkopplung bei koaxialer Pulverzufuhr;159
10.2.5;6.2.5 Thermischer Wirkungsgrad und Prozesseffektivität;160
10.3;6.3 Synopsis;163
11;7 Werkstoffkundliche Schichtcharakterisie-rung;165
11.1;7.1 Untersuchungsmethoden zur Schichtcharakterisie-rung;165
11.2;7.2 Aluminiumbasislegierungen;165
11.3;7.3 Kupferbasislegierungen;174
11.4;7.4 Hartstoffverstärkte Schichten;187
11.4.1;7.4.1 Wolframschmelzkarbidhaltige Schichten;188
11.4.2;7.4.2 Siliziumkarbidhaltige Schichten;193
11.4.3;7.4.3 Titankarbidhaltige Schichten;195
11.5;7.5 Synopsis;198
12;8 Anwendungsbeispiele;201
13;9 Zusammenfassung und Ausblick;204
14;10 Anhang;208
14.1;10.1 Optische Daten und Werkstoffkennwerte;208
15;11 Literatur- und Quellenverzeichnis;211

Leseproben

3 Motivation und Aufgabenstellung (S. 85-86)

Der Stand der Technik beim Laseroberflächenveredeln von Al-Substraten zeigt, dass das Verfahren eine vielversprechende Technologie für die Erzeugung von qualitativ hochwertigen Funktionsschichten darstellt. Im Hinblick auf Leichtbau und Downsizing besteht vor allem im Automobilbau ein hoher Bedarf an Technologien, welche die gesteigerten Anforderungen an die Funktionalität der Al-Bauteile erfüllen können. Trotz der genannten Vorteile und der speziell für Al-Bauteile aufgezeigten Erschließungsmöglichkeiten ist zum jetzigen Zeitpunkt nur die industrielle Umsetzung beim Laserbeschichten von Ventilsitzen des Al-Zylinderkopfes bekannt. Die Gründe dafür sind vor allem:

1. Die hohen Investitions- und Betriebskosten des Laserverfahrens. Ziel muss es daher sein, die zur Verfügung stehende Laserenergie möglichst effizient zu nutzen. Dazu müssen die Einflussfaktoren auf die Energieeinkopplung bekannt sein. Bezüglich der Mechanismen der Energieeinkopplung und der Wechselwirkung zwischen Laserstrahl, Pulver und Al-Substrat zeigt der Stand der Technik jedoch Lücken auf.

2. Die begrenzte Anzahl bekannter kompatibler Zusatzwerkstoffe speziell für Al-Legierungen. Um das eigentliche Potenzial des Verfahrens zu erschließen, ist die Entwicklung neuer Zusatzwerkstoffe notwendig. Diese müssen an die oft gegensätzlichen prozess- und anwendungsspezifischen Anforderungen angepasst sein. Als Grundvoraussetzung für die Entwicklung neuer Zusatzwerkstoffe ist ein fundiertes Prozessverständnis, Kenntnis der Werkstofftechnik und der Phänomenologie der schnellen Erstarrung unerlässlich.

Ziel dieser Arbeit ist:

Durch Messung der Energieeinkopplung und ausgehend von der Leistungsbilanz die einzelnen Nutz- und Verlustleistungen zu berechnen und den Prozesswirkungsgrad zu bestimmen. Dabei soll der Einfluss der Prozessparameter und -führung auf Prozesseffizienz hin untersucht werden. Im Einzelnen sind dabei die laterale und koaxiale Pulverzufuhr sowie der Nd:YAG-, CO2- und Diodenlaser miteinander zu vergleichen.

Die werkstoffkundliche Charakterisierung und Bewertung verschiedener homogener und heterogener Schichtsysteme hinsichtlich Gefüge. Dabei soll anhand bereits eingesetzter Al- und Cu-Basislegierungen der Einfluss der Prozessparameter und der schnellen Erstarrung auf das Schichtgefüge und die -eigenschaften analysiert werden. Außerdem sollen unterschiedliche Karbidarten auf ihre Eignung zum Laserdispergieren und -beschichten untersucht werden. Dazu werden Pulvermischungen aus der duktilen AlSi12-Legierung und karbidischen Hartstoffen wie Wolfram-, Titan- und Siliziumkarbid verwendet und die erzielbare Schichtqualität bewertet.