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Oberflächenmodifikation von Aluminiumlegierungen mit Laserstrahlung: Prozessverständnis und Schichtcharakterisierung

:	Agnes Ott
:	Oberflächenmodifikation von Aluminiumlegierungen mit Laserstrahlung: Prozessverständnis und Schichtcharakterisierung
:	Herbert Utz Verlag
:	9783831609598
:	1
:	CHF 31.00
:

:	Naturwissenschaft
:	German

:	239
:	DRM
:	PC/MAC/eReader/Tablet
:	PDF

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.

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.

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