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E-Book

Oberflächenmodifikation von Aluminiumlegierungen mit Laserstrahlung: Prozessverständnis und Schichtcharakterisierung

AutorAgnes Ott
VerlagHerbert Utz Verlag
Erscheinungsjahr2010
Seitenanzahl239 Seiten
ISBN9783831609598
FormatPDF
KopierschutzDRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis34,99 EUR
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.

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Leseprobe
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.
Inhaltsverzeichnis
Kurzfassung der Arbeit8
Inhaltsverzeichnis10
Verzeichnis der Symbole14
Extended Abstract20
1 Einleitung24
2 Stand der Technik26
2.1 Verfahren des Laseroberflächenveredelns von Al- Legierungen26
2.2 Physikalische Grundlagen29
2.2.1 Absorption von Laserstrahlen29
2.2.2 Wärmeleitung im Bauteil34
2.2.3 Extinktion an metallischen Partikeln35
2.2.4 Energieeinkopplung beim Laserbeschichten42
2.2.5 Vorgänge in der schmelzflüssigen Phase46
2.2.6 Schichteigenschaften und -fehler67
2.3 Grund- und Zusatzwerkstoffe73
2.3.1 Zusatzwerkstoffe beim Oberflächenveredeln von Al- Legierungen73
2.4 Vergleich zu anderen Beschichtungsverfahren80
2.4.1 Thermische Spritzverfahren81
2.4.2 Auftragschweißen82
2.5 Industrielle Anwendungen und Perspektiven84
3 Motivation und Aufgabenstellung88
4 Versuchsanordnung und untersuchte Werkstoffe90
4.1 Untersuchte Grundwerkstoffe90
4.2 Untersuchte Zusatzwerkstoffe91
4.2.1 Metallische Zusatzwerkstoffe91
4.2.2 Hartstoffverstärkte Zusatzwerkstoffe92
4.3 Eingesetzte Strahlquellen95
4.4 Pulverdüsen und Pulverförderer95
5 Experimente zur Vertiefung des Prozessverständnisses98
5.1 Versuchsbeschreibung zur Prozessbeobachtung98
5.2 Oberflächenströmung beim Laserumschmelzen100
5.3 Beobachtungen beim Dispergieren mit karbidischen Hartstoffen104
5.4 Beobachtungen beim Beschichten mit Pulvermi-schungen119
5.5 Beobachtungen beim Beschichten mit metallischen Zusatzwerkstoffen120
5.5.1 Startphase des Beschichtungsprozesses121
5.5.2 Einfluss der Pulverförderrate und des Zusatzwerkstoffes122
5.5.3 Einfluss der Laserleistung126
5.5.4 Einfluss der Vorschubgeschwindigkeit129
5.5.5 Einfluss des Schutzgases129
5.5.6 Einfluss der Vorschubrichtung133
5.6 Synopsis135
6 Untersuchungen zur Prozesseffizienz137
6.1 Experimentelle Untersuchungen zur Pulverextinktion137
6.1.1 Betrachtung des Pulverstrahls137
6.1.2 Versuchsaufbau für Transmissionsmessungen141
6.1.3 Transmission bei lateraler Pulverzufuhr143
6.1.4 Transmission bei koaxialer Pulverzufuhr145
6.2 Experimentelle Untersuchungen zum Einkoppelgrad147
6.2.1 Messverfahren zur Ermittlung des Einkoppelgrades147
6.2.2 Messaufbau und Auswertung der Messungen149
6.2.3 Energieeinkopplung bei lateraler Pulverzufuhr150
6.2.4 Energieeinkopplung bei koaxialer Pulverzufuhr159
6.2.5 Thermischer Wirkungsgrad und Prozesseffektivität160
6.3 Synopsis163
7 Werkstoffkundliche Schichtcharakterisie-rung165
7.1 Untersuchungsmethoden zur Schichtcharakterisie-rung165
7.2 Aluminiumbasislegierungen165
7.3 Kupferbasislegierungen174
7.4 Hartstoffverstärkte Schichten187
7.4.1 Wolframschmelzkarbidhaltige Schichten188
7.4.2 Siliziumkarbidhaltige Schichten193
7.4.3 Titankarbidhaltige Schichten195
7.5 Synopsis198
8 Anwendungsbeispiele201
9 Zusammenfassung und Ausblick204
10 Anhang208
10.1 Optische Daten und Werkstoffkennwerte208
11 Literatur- und Quellenverzeichnis211

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