DD231522A1

DD231522A1 - METHOD FOR THE LASER-INDUCED MODIFICATION OF CERAMIC MATERIALS

Info

Publication number: DD231522A1
Application number: DD27080684A
Authority: DD
Inventors: Guenter Reisse; Gerhard Zscherpe; Ulf Seifert
Original assignee: Mittweida Ing Hochschule
Priority date: 1984-12-14
Filing date: 1984-12-14
Publication date: 1986-01-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Modifizierung von Keramikwerkstoffen mittels Laser. Das Ziel sowie die zu loesende Aufgabe der Erfindung bestehen in der Verbesserung der Oberflaecheneigenschaften von Keramikwerkstoffen durch eine zerstoerungsfreie Modifizierung des Oberflaechenbereiches. Erfindungsgemaess wird der zu modifizierte Oberflaechenbereich durch die Einwirkung eines ersten Lasterstrahles vorgewaermt und mit Hilfe eines zweiten Laserstrahles auf die erforderliche Temperatur weiter erhitzt, wobei der Einwirkbereich des zweiten Laserstrahles zeitlich und oertlich innerhalb des Einflussgebietes des ersten Laserstrahles liegt und die Lage des Intensitaetsmaximums des ersten Laserstrahles gegenueber der Lage des Intensitaetsmaximums des zweiten Laserstrahles waehrend des Abrasterns der Oberflaeche um einen vorgegebenen Betrag in Vorschubrichtung verschoben ist. Die Erfindung ist anwendbar auf folgenden Gebieten: Elektrotechnik, Mikroelektronik, Maschinenbau.The invention relates to a method for modifying ceramic materials by means of laser. The object and the object to be solved of the invention consist in the improvement of the surface properties of ceramic materials by a non-destructive modification of the surface area. According to the invention, the surface area to be modified is preheated by the action of a first laser beam and further heated to the required temperature with the aid of a second laser beam, the area of action of the second laser beam being temporally and locally within the range of influence of the first laser beam and the position of the intensity maximum of the first laser beam is shifted relative to the position of the intensity maximum of the second laser beam during the Abrasterns the surface by a predetermined amount in the feed direction. The invention is applicable in the following fields: electrical engineering, microelectronics, mechanical engineering.

Description

Titel der ErfindungTitle of the invention

Verfahren zur laserinduzierten Modifizierung von KeramikwerkstoffenMethod for the laser-induced modification of ceramic materials

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung ist anwendbar in den Gebieten der Technik, die Keramikwerkstoffe in Form von kompakten Werkstücken oder Schichten bereits einsetzen oder bei entsprechender Oberflächenqualität einsetzen können, z. B. als Isolations- und Trägermaterial in der Elektrotechnik, als Dielektrika und Substratmaterial in der Elektronik und Mikroelektronik sowie als verschleißfesten und hochtemperaturbeständigen Werkstoff im Maschinenbau·The invention is applicable in the fields of technology, the ceramic materials in the form of compact workpieces or layers already use or can use with appropriate surface quality, eg. B. as insulation and support material in electrical engineering, as dielectrics and substrate material in electronics and microelectronics and as a wear-resistant and high-temperature resistant material in mechanical engineering

Charakteristik der bekannten technischen lösungenCharacteristic of the known technical solutions

Bereits bekannte Verfahren zur laserinduzierten Modifizierung von Keramikwerkstoffen konnten nicht ermittelt werden«Already known methods for the laser-induced modification of ceramic materials could not be determined «

Bekannt sind Verfahren zur Synthese von Keramikwerkstoffen aus pulverförmigem Ausgangsmaterial durch Lasersintern: Von Okutomi und anderen (Okutomi, M., M. Kasamatsu, K. Tsukamoto, S. Shiratori, P. Uchiyama: Applied Physics Letters 44, 12 (1984) 1132 - 4) wurden Proben mit 12 mm Durchmesser und 5 mm Dicke aus einem ZrO2*-» HfOp- und Y-o°5" Oxidkeramikpulvergemisch und einem Bindemittel vorgepreßt, an Luft bei 100 ⁰C 4h lang getrocknet und mit einemMethods for synthesizing ceramic materials from powdered starting material by laser sintering are known: Okutomi and others (Okutomi, M., M. Kasamatsu, K. Tsukamoto, S. Shiratori, P. Uchiyama: Applied Physics Letters 44, 12 (1984) 1132 4) samples with 12 mm diameter and 5 mm thickness of a ZrO2 * - »HfOp and Yo ° 5" oxide ceramic powder mixture and a binder were pre-pressed, dried in air at 100 ⁰ C for 4 h and with a

C0_o-Laserstrahl von 12 mm Strahldurchmesser bei Leistungs-C0 _o laser beam of 12 mm beam diameter at power

—2 flußdichten von 2,7 kW·cm 1 min lang bestrahlt. Diese Langzeitbehandlung führte zur Herausbildung einer neuartigen Oxidkeramik, deren Schmelzpunkt 2850 ⁰C und Härte 1800 kp«mm betragen. Grabmaier und andere (Grabmaier, J.G., B.C. Grabmaier, R. Th. Kersten, R. D. Plattner, G. J. Zeidler: Physics Letters 43A (1973) 219 - 20) erzeugten Heteroepitaxie-Schichten durch COp-Laser-Sintern von Hd:YAG Pulver auf AlpO^-Substraten.-2 flux densities of 2.7 kW · cm irradiated for 1 min. This long-term treatment has led to the emergence of a new type of ceramic oxide, whose melting point is 2850 ⁰ C. or hardness 1,800 kp "mm. Grabmaier and others (Grabmaier, JG, BC Grabmaier, R. Th. Kersten, RD Plattner, GJ Zeidler: Physics Letters 43A (1973) 219-20) produced heteroepitaxial layers by COp laser sintering of Hd: YAG powder on AlpO ^ substrates.

Beim Lasersintern mit Hilfe eines Laserstrahles werden das gesamte bzw. große Volumina des kompakten Materials oder das gesamte Schichtausgangsmaterial in seiner Dickenausdehnung und die Substratoberfläche eine relativ lange Zeit auf die erforderlichen Temperaturen unterhalb der Schmelztemperatur erhitzt, so daß hohe Zugspannungen, die infolge großer Temperaturgradienten entstehen und aufgrund der geringen Temperaturwechselbeständigkeit von Keramikwerkstoffen zur Materialzerstörung führen, nicht auftreten.In laser sintering with the aid of a laser beam, the entire or large volumes of the compact material or the entire layer starting material in its thickness and the substrate surface are heated for a relatively long time to the required temperatures below the melting temperature, so that high tensile stresses that arise as a result of large temperature gradients and due to the low thermal shock resistance of ceramic materials lead to material destruction, do not occur.

Bekannt ist des "weiteren die Modifizierung von Keramikwerkstoff en durch Ioneneinwirkung: Durch Ionenbeschuß von Keramikschneideinsätzen konnte eine Amorphisierung des Oberflächengefüges und eine Glättung erreicht werden (DD-WP 21 22 70). Bei diesem Verfahren erfolgt die Amorphisierung des Kristallgitters bzw. die durch Materialabtrag hervorgerufene Glättung der Oberfläche nicht thermisch infolge der direkten Energieübertragung vom einfallenden Ion auf die Pestkörperatome.By ion bombardment of ceramic cutting inserts, an amorphization of the surface structure and a smoothing could be achieved (DD-WP 21 22 70) .This process results in the amorphization of the crystal lattice or the removal of material caused by material removal Smoothing of the surface not thermally due to direct energy transfer from the incident ion to the plague atoms.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Es ist das Ziel der Erfindung, die Oberflächeneigenschaften von Keramikwerkstoffen wesentlich zu verbessern.It is the object of the invention to substantially improve the surface properties of ceramic materials.

- 3 Darlegung des Wesens der Erfindung- 3 Presentation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, das die zerstörungsfreie Modifizierung des Oberflächenbereiches von Keramikwerkstoffen gestattet und neuartige Möglichkeiten für den Einsatz von Keramikwerkstoffen eröffnet.The invention has for its object to develop a method that allows the non-destructive modification of the surface area of ceramic materials and opens up new possibilities for the use of ceramic materials.

Die Oberflächenmodifizierung von kompakten Keramik«erkstücken und keramischen Schichten, die eine Erhöhung der Einsatzdauer bzw. erst den Einsatz von Keramikwerkstoffen für viele Anwendungen ermöglicht mit Hilfe eines Laserstrahles, führt aufgrund der kurzzeitigen Laserstrahleinwirkung mit hoher Leistungsflußdichte, die zur Erzielung der für die Modifizierung notwendigen Temperaturen im Oberflächenbereich erforderlich ist, zu großen örtlichen und zeitlichen Temperaturgradienten, in deren Folge materialzerstörende Zugspannungen entstehen können« Ein Yorheizen der Keramikwerkstücke und die gleichzeitige Laserstrahlbehandlung in geeigneten Öfen ist wegen der notwendigen Laserstrahlführung aufwendig und schwer durchführbar·The surface modification of compact ceramic components and ceramic layers, which allows an increase in the duration of use or only the use of ceramic materials for many applications by means of a laser beam, due to the short-term laser beam effect with high power flow density, which leads to the necessary temperatures for the modification in the surface area is necessary, to large local and temporal temperature gradients, which can result in material-destructive tensile stresses «Yorheizen the ceramic workpieces and the simultaneous laser beam treatment in suitable ovens is complicated and difficult to carry out because of the necessary laser beam guidance ·

Die ioneninduzierte Amorphisierung von Keramikoberflächen erfolgt wegen der relativ geringen Eindringtiefe der Ionen nur in einer dünnen Oberflächenschicht· Das Oberflächenglätten kann wegen der geringen Zerstäubungsausbeuten keramischer Werkstoffe effektiv nur bei geringer Oberflächenrauhigkeit durchgeführt werden· Die ioneninduzierte Modifizierung ist des weiteren nur dann möglich, wenn der Keramikwerkstoff eine genügend hohe Leitfähigkeit besitzt oder die Ladung der auftreffenden Ionen auf andere Weise abgeführt bzw. kompensiert wird.Due to the relatively low penetration depth of the ions, the ion-induced amorphization of ceramic surfaces takes place only in a thin surface layer. The surface smoothing can be carried out effectively only with low surface roughness because of the low sputtering yields of ceramic materials. Furthermore, the ion-induced modification is only possible if the ceramic material has a has sufficiently high conductivity or the charge of the incident ions is dissipated or compensated in another way.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß differentielle Volumenelemente des zu modifizierenden Oberflächenbereiches von kompakten Keramikwerkstücken oder von keramischen Schichten, die auf einen Träger aufgesintert sind, nacheinander durch die lokale Einwirkung eines ersten Laser-According to the invention, the object is achieved in that differential volume elements of the surface area to be modified of compact ceramic workpieces or of ceramic layers which are sintered onto a carrier are successively produced by the local action of a first laser

Strahles auf eine vorgegebene,von den Werkstoffeigenschaften abhängige Temperatur, beispielsweise auf eine Temperatur nahe der Schmelztemperatur, vorgewärmt und mit Hilfe eines zweiten Laserstrahles auf eine ebenfalls von den Werkstoffeigenschaften abhängige und für die angestrebte Modifizierung der Oberflächeneigenschaften erforderliche maximale Temperatur, vorzugsweise oberhalb der Schmelztemperatur, weiter erhitzt wird, wobei der Einwirkbereich des zweiten Laserstrahles zeitlich und örtlich innerhalb des Einflußgebietes des ersten Laserstrahles liegt, um die Entstehung von materialzerstörenden Schichtspannungen infolge zu großer Aufheiz- und Abkühlungs-Temperaturgradienten zu vermeiden. Durch die Abstimmung der zeitlichen und örtlichen Einwirkdauer und Intensitätsverteilung sowie der Wellenlängen beider Laserstrahlen aufeinander und auf die Eigenschaften des zu bearbeitenden Keramikwerkstoffes, insbesondere auf das Absorptionsvermögen, das Wanneleitungsvermögen und die Schmelztemperatur, werden dabei lokal im Oberflächenbereich lateral und senkrecht die für die im Einwirkbereich des zweiten Laserstrahles erfolgende Eigenschaftsmodifizierung des Keraraikwerkstoffes erforderlichen Aufheiztemperatur- und Abkühlungstemperatur-Ort-Zeit-Profile erzeugt« Während hohe Abkühlungsgeschwindigkeiten beispielsweise die Herausbildung amorpher Oberflächenbereiche bewirken, entstehen bei geringeren Abkühlungsgeschwindigkeiten kristalline Phasen, wobei die Kristallitgröße über die Abkühlungsgeschwindigkeit und die Kristall!twachstumsrichtung über den lateralen Temperaturgradienten gesteuert werden können.Beam to a predetermined, dependent on the material properties temperature, for example, to a temperature close to the melting temperature, preheated and with the help of a second laser beam on a likewise dependent on the material properties and required for the desired modification of the surface properties maximum temperature, preferably above the melting temperature, on is heated, wherein the Einwirkbereich of the second laser beam is temporally and locally within the sphere of influence of the first laser beam to avoid the formation of material-destroying layer stresses due to excessive heating and cooling temperature gradient. By coordinating the temporal and local exposure time and intensity distribution as well as the wavelengths of both laser beams on each other and on the properties of the ceramic material to be processed, in particular on the absorption capacity, the Wanneleitungsvermögen and the melting temperature, locally in the surface area laterally and vertically for the in the Einwirkbereich of While high cooling rates cause, for example, the formation of amorphous surface areas, crystalline phases are formed at slower cooling rates, with the crystallite size above the cooling rate and the crystal growth direction above the lateral Temperature gradient can be controlled.

Durch kurzzeitiges Aufschmelzen der Oberfläche können darüber hinaus zum Beispiel Defekte ausgeheilt, Poren verschlossen, die Materialdichte erhöht und Oberflächenunebenheiten eingeglättet werden.In addition, short-term melting of the surface can, for example, heal defects, close pores, increase the material density and smooth out surface irregularities.

Zur Einstellung von Temperatur-Ort-Zeit-Profilen, die eine zerstörungsfreie laserinduzierte Modifizierung ermöglichen, ist, insbesondere bei gaußförmiger Intensitätsverteilung derTo set temperature-time-time profiles that allow a non-destructive laser-induced modification is, in particular at Gaussian intensity distribution of

Laserstrahlen, die Lage des Intensitätsmaximums des ersten Laserstrahles gegenüber der Lage des Intensitätsmaximums des zweiten Laserstrahles während des programmgesteuerten Abrasterns der zu modifizierenden Keramikoberfläche um einen vorgegebenen Betrag in Vorschubrichtung verschoben, der von der Vorschubgeschwindigkeit und dem Wärmeleitvermögen des Keramikwerkstoff es abhängt und so eingestellt wird, daß die vorgegebene Vorwärmtemperatur am Ort des Intensitätsmaximums des zweiten Laserstrahles auch eine für die zerstörungsfreie Modifizierung erforderliche Materialtiefe erreicht·Laser beams, the position of the intensity maximum of the first laser beam relative to the position of the maximum intensity of the second laser beam during the program-controlled scanning of the ceramic surface to be modified by a predetermined amount in the feed direction, which depends on the feed rate and the thermal conductivity of the ceramic material and it is adjusted so that the predetermined preheating temperature at the location of the intensity maximum of the second laser beam also achieves a material depth required for nondestructive modification.

Des weiteren wird das Verhältnis aus den Querschnittsflächen des ersten und des zweiten Laserstrahles auf der Keramikoberfläche größer als zehn gewählt, um einen für die zerstörungsfreie Modifizierung erforderlichen lateralen Oberflächenbereich vorzuwärmen·Furthermore, the ratio of the cross-sectional areas of the first and second laser beams on the ceramic surface is selected to be greater than ten in order to preheat a lateral surface area required for nondestructive modification.

Um Einflüsse der umgebenden Luft zu verringern bzw. zu vermeiden, wird die laserinduzierte Modifizierung unter Schutzgaseinfluß oder im Vakuum durchgeführt, wobei die Vakuumbehandlung infolge der leichteren Ausdiffusion von Gaseinschlüssen eine weitere Materialverdichtung im modifizierten Oberflächenbereich bewirken kann· Zur Erzeugung von Verbindungen und Reduzierung von Stoffkomponenten im Oberflächenbereich wird die laserinduzierte Modifizierung des weiteren unter der definierten Einwirkung geeigneter chemisch aktiver Gase durchgeführt.In order to reduce or avoid influences of the surrounding air, the laser-induced modification is carried out under inert gas or in a vacuum, the vacuum treatment due to the easier outdiffusion of gas inclusions can cause a further material compaction in the modified surface area · For the production of compounds and reduction of material components in Surface area, the laser-induced modification is further carried out under the defined action of suitable chemically active gases.

In weiterer Ausbildung der Erfindung werden während der laserinduzierten Modifizierung zusätzlich Stoffkomponenten, beispielsweise Hartstoffe oder schwer schmelzbare Metalle, als Pulverstrom oder als Teilchenstrom im Vakuum angeliefert und in den Oberflächenbereich eingebracht, die eine weitere Verbesserung der Oberflächeneigenschaften, zum Beispiel eine Erhöhung der Verschleißfestigkeit oder eine nachfolgende Abscheidung haftfester Metallschichten, ermöglichen.In a further embodiment of the invention, during the laser-induced modification, in addition fabric components, for example hard materials or refractory metals, are supplied as powder stream or as particle stream in a vacuum and introduced into the surface area, which further improves the surface properties, for example an increase in wear resistance or a subsequent Deposition of adhesive metal layers, allow.

Ausführungsbeispielembodiment

nachfolgend wird die Erfindung an einem Ausführungs-beispiel näher erläutert. In Pig. 1 ist das T/irkprinzip des Verfahrens schematisch dargestellt.Below, the invention is explained in more detail in an embodiment example. In Pig. 1 shows schematically the principle of the method.

Zur Verringerung der Kristallitgröße im Oberflächenbereich von Aluminiumoxidkeramik KER 708 3 werden ein erster Laserstrahl 1 mit nahezu gaußförmiger Intensitätsverteilung eines kontinuierlich arbeitenden C0_o-Lasers mit einer Photonen-To reduce the crystallite size in the surface area of aluminum oxide ceramic KER 708 3, a first laser beam 1 with an almost Gaussian intensity distribution of a continuous C0 _o- laser with a photon laser

Φ C.Φ C.

wellenlänge von 10,6/um und einem Strahldurchmesser auf der Keramikoberfläche -von 8 mm im. kontinuierlichen Bestrahlungsregime mit Leistungsflußdichten von 100 bis 300 W»cm zur Erzeugung der Vorwärmtemperatur und ein zweiter Laserstrahl 2 mit nahezu gaußförmiger Intensitätsverteilung eines im Impulsbetrieb arbeitenden COp-Lasers mit einer Photonenwellen— länge von 10,6 ,um mit Impulsenergiedichten von 10 bis 100wavelength of 10.6 / μm and a beam diameter on the ceramic surface of 8 mm in diameter. continuous irradiation regime with power flux densities of 100 to 300 W cm for generating the preheat temperature and a second laser beam 2 with almost Gaussian intensity distribution of a pulsed COp laser with a photon wavelength of 10.6, with pulse energy densities of 10 to 100

ρ /ρ /

J»cm , Impulsdauern von 1 bis 10 ms, einem Strahldurchmesser auf der Oberfläche von 400 /um und einem Überlappungsgrad von 75 % zur Erzeugung einer maximalen Temperatur nahe der Verdampfungstemperatur eingesetzt, Tiobei der Abstand der Lage der Intensitätsmaxima beider Strahlen 3/4 des gaußschen Radius des ersten Laserstrahles und die Vorschubgescfcraindigkeiten des für die Abrasterung der Oberfläche verwendetenJ cm, pulse durations of 1 to 10 ms, a beam diameter on the surface of 400 / um and a degree of overlap of 75 % used to produce a maximum temperature near the evaporation temperature, Tiobei the distance of the position of the intensity maxima of both beams 3/4 of gaussian Radius of the first laser beam and the feed rates of the surface used for scanning

— 1- 1

xy-Koordinatentisches 4 1 bis 3 mm^#s betragen. Zur Verhinderung von chemischen Reaktionen wird die Oberfläche während des Bearbeitungsprozesses mit einem Schutzgas beaufschlagt. Im Ergebnis dieser Laserstrahlmodifizierung entstehen im Oberflächenbereich dicht gepackt nadeiförmige Kristallite von 10 bis 20/um Länge und 1 bis 3/Um Durchmesser, die nahezu parallel zur Oberfläche und zur Vorschubrichtung ausgerichtet sind.xy-coordinate table 4 1 to 3 mm ^# s amount. To prevent chemical reactions, the surface is exposed to a protective gas during the machining process. As a result of this laser beam modification arise in the surface area densely packed acicular crystallites of 10 to 20 / um in length and 1 to 3 / Um diameter, which are aligned almost parallel to the surface and the feed direction.

Claims

1. A method for the laser-induced modification of ceramic-Merkstoffe characterized in that the surface area to be modified successively by the local
Preheat the action of a first laser beam to a predetermined temperature and with the aid of a second laser beam, the Einwirkbereich is within the sphere of influence of the first laser beam to a predetermined maximum temperature, preferably above the
Melting temperature, is heated and that by adjusting the temporal and local exposure time and intensity sverteilung and the wavelengths of both laser beams on each other and on the properties of the ceramic material to be produced locally in the surface area laterally and vertically the required heating temperature and cooling temperature-time-time profiles are «

"" 1 -
invention claim

2. The method according to claim 1, characterized in that the position of the intensity maximum of the first laser beam relative to the position of the intensity maximum of the second laser beam during the scanning of the ceramic surface
is shifted by a predetermined amount in the feed direction.

3 # Method according to claim 1 and 2 characterized in that
that the ratio of the cross-sectional areas of the first

and the second laser beam on the ceramic surface is greater than ten

4. The method of claim 1, 2 and 3, characterized in that the modification takes place under protective gas influence, in a vacuum or under the action of chemically active, such as reducing gases.

5. The method of claim 1, 2, 3 and 4, characterized in that additionally supplied during the modification of fabric components, such as hard materials or refractory metals, as a powder stream or as Leilchenstrom in a vacuum and introduced into the surface region.

6. The method of claim 1, 2, 3 and 4, characterized in that to reduce the crystallite size in the surface area of alumina ceramic (3) a first laser beam (1) with gaseous intensity distribution, a photon wavelength of 10.6, to Um in the continuous irradiation regime with power flux densities from 50 to 300 W * cm and a second laser beam (2) with Gaussian intensity distribution, a photon wavelength of 10.6 / um in the pulse regime with pulse energy densities of 1 to 100 J.cm and pulse durations of 0.1 to 10 ms in the raster over the with an inert gas acted surface are fed at feed rates of 1 to 3 mm »s" ¹ at a distance of the position of the intensity maxima of both beams of 3/4 of the Gaussian radius of the first laser beam (1).

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