DD242429A1

DD242429A1 - METHOD OF MATERIAL PROPERTY CHANGE

Info

Publication number: DD242429A1
Application number: DD24368082A
Authority: DD
Inventors: Thomas Finn; Helmut Hess; Hartmut Kerkow; Frank Kudella; Eckhard Metzke; Hans-Joachim Schreck; Manfred Wirsig
Original assignee: Adw Ddr
Priority date: 1982-09-30
Filing date: 1982-09-30
Publication date: 1987-01-28

Abstract

Das Verfahren kann dort angewendet werden, wo eine bessere Anpassung der Eigenschaften der Materialien an die Einsatzbedingungen erreicht werden soll, z. B. in Form erhoehter Haerte, Festigkeit, verbesserter Kristallstruktur. Das Ziel der Erfindung ist es, eine gleichmaessige Veraenderung der Eigenschaften von oberflaechennahen Bereichen und/oder im Volumen in beliebig geformten Koerpern aus unterschiedlichen Materialien zu erreichen. Die Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur definierten Beeinflussung der Oberflaechen- und/oder Volumeneigenschaften unterschiedlicher Materialien anzugeben. Die Aufgabe wird dadurch geloest, dass die Materialien einem durch annaehernd adiabatische Kompression erzeugten impulsfoermigen, stark strahlenden, dichten Plasma ausgesetzt werden.The method can be applied where a better adaptation of the properties of the materials to the conditions of use is to be achieved, eg. B. in the form of increased hardness, strength, improved crystal structure. The aim of the invention is to achieve a uniform change in the properties of near-surface regions and / or in the volume in arbitrarily shaped bodies of different materials. The object is to specify a method for the defined influencing of the surface and / or volume properties of different materials. The object is achieved by exposing the materials to a pulsed, high-luminance, dense plasma generated by almost adiabatic compression.

Description

Field of application of the invention

Das Verfahren kann dort angewendet werden, wo durch gezielte Änderungen der Oberflächen- und Volumeneigenschaften von Materialien mittels Einwirkung von Druck-, Strahlungs- und Wärmeimpulsen, Einbau von Fremdatomen bzw. innige Verbindung vorher aufgebrachter Schichten mit dem Werkstoff eine bessere Anpassung der Materialien an die Einsatzbedingungen erreicht werden soll, z. B. in Form erhöhter Härte, Festigkeit, verbesserter Kristallstruktur, Korrosionsbeständigkeit oder Rißunempfindlichkeit.The method can be used where, by targeted changes in the surface and bulk properties of materials by the action of pressure, radiation and heat pulses, incorporation of impurities or intimate connection of previously applied layers with the material better adaptation of the materials to the conditions of use should be achieved, for. Example in the form of increased hardness, strength, improved crystal structure, corrosion resistance or Rißunempfindlichkeit.

Characteristic of the known technical solutions

Verfahren zur Beeinflussung von Oberflächeneigenschaften durch Strahlungsimpulse aus Lasern sind in DD-WP 141378, DE-OS 3007160, DE-OS 2740569, EP 0035401, US-PS 3850698 und US-PS 4122240 beschrieben. Die Laserbehandlung großer Oberflächen hat aber den Nachteil des kleinen Brennfleckes, was Vorrichtungen zur Rasterung und lange Behandlungszeiten erfordert.Methods for influencing surface properties by radiation pulses from lasers are described in DD-WP 141378, DE-OS 3007160, DE-OS 2740569, EP 0035401, US-PS 3850698 and US-PS 4122240. However, the laser treatment of large surfaces has the disadvantage of the small focal spot, which requires devices for screening and long treatment times.

Die Beeinflussung der Eigenschaften von Halbleitermaterialien durch Strahlungsimpulse aus Hochleistungslampen (DD-WP 147980) bzw. von metallischen und dielektrischen Materialien durch gepulste Lichtstrahlen (US-PS 4229232) ist nur anwendbar, wenn die abgestrahlte Energiedichte der Lampen ausreichend ist. Die Lampen haben darüber hinaus nur eine begrenzte Lebensdauer.The influence of the properties of semiconductor materials by radiation pulses from high-power lamps (DD-WP 147980) or of metallic and dielectric materials by pulsed light beams (US Pat. No. 4,229,232) is only applicable if the radiated energy density of the lamps is sufficient. In addition, the lamps have only a limited life.

Laser und Hochleistungslampen haben weiterhin den Nachteil, daß auf Grund der notwendigen optischen Fenster keine hohen Photonenenergien verfügbar sind.Lasers and high-power lamps also have the disadvantage that due to the necessary optical windows no high photon energies are available.

Bekannt ist auch die Anwendung elektrischer Entladungen zur Veränderung von Materialeigenschaften (z.B. DD-WP 59940, DD-WP 151 635, DE-AS 1408930, DE-OS 2449712). Diese führen bei hoher Energiedichte zu unerwünschten Änderungen der Oberflächengeometrie. Bei geringer Energiedichte sind lange Behandlungszeiten notwendig; und Oberflächeneffekte, die auf Abschreckung beruhen, sind infolge Volumenerwärmung nicht erzielbar.Also known is the use of electrical discharges to change material properties (for example DD-WP 59940, DD-WP 151 635, DE-AS 1408930, DE-OS 2449712). These lead at high energy density to undesirable changes in the surface geometry. At low energy density long treatment times are necessary; and surface effects due to quenching are not achievable due to volume heating.

Die Veränderung von Materialeigenschaften durch Druck-und Wärmeimpulse wird in DE-AS 2436951, DE-OS 2119766 und EP O 022433 beschrieben. Diese Patente beziehen sich aber auf die Herstellung kompakter Teile aus.Pulvermaterialien unter Ausnutzung derErnergievon Stoßwellen. In US-PS 3157498 wird ein Verfahren vorgestellt, das mit einem durch einen explosionsgetriebenen Kolben adiabatisch komprimierten Gas arbeitet und zum Sintern von Pulvermaterialien dient. Weiterhin wird die Druck- und Temperaturerhöhung in durch Kompressoren verdichteten Medien zur Herbeiführung chemischer Reaktion genutzt (z. B. GB-PS 1387 396, DE-AS 1275 237).The change of material properties by pressure and heat pulses is described in DE-AS 2436951, DE-OS 2119766 and EP 022433. These patents, however, relate to the manufacture of compact parts. Powder materials utilizing the energy of shock waves. In US-PS 3157498 a method is presented, which works with a gas driven by an explosion-driven piston adiabatically compressed and used for sintering powder materials. Furthermore, the increase in pressure and temperature in media compressed by compressors is used to bring about chemical reaction (eg GB-PS 1387 396, DE-AS 1275 237).

Object of the invention

Ziel der Erfindung ist es, eine gleichmäßige Veränderung der Eigenschaften von oberflächennahen Bereichen und/oder im Volumen in beliebig geformten Körpern aus unterschiedlichen Materialien zu erreichen.The aim of the invention is to achieve a uniform change in the properties of near-surface regions and / or in the volume in arbitrarily shaped bodies made of different materials.

Explanation of the essence of the invention

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur definierten Beeinflussung der Oberflächen- und/oder Volumeneigenschaften unterschiedlicher Materialien anzugeben. Das Verfahren soll eine schnelle Beeinflussung beliebig geformter Körper ermöglichen.The object of the invention is to specify a method for the defined influencing of the surface and / or volume properties of different materials. The method is intended to allow rapid influencing arbitrarily shaped body.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Materialien einem durch annähernd adiabatische Kompression erzeugten impulsförmigen, stark strahlenden, dichten Plasma ausgesetzt werden und die Veränderung der Oberflächen- und Volumeneigenschaften durch einzelne oder kombinierte Einwirkung von Druck, Wärmeleitung, Strahlung, Einbau von Fremdatomen bzw. innige Verbindung vorher aufgebrachter Schichten mit dem Werkstoff erfolgt, wobei die Plasmaparameter variabel sind.The object is achieved in that the materials are exposed to a generated by approximately adiabatic compression pulse-shaped, high-luminance, dense plasma and the change in surface and volume properties by single or combined action of pressure, heat conduction, radiation, impurity or intimate Connection of previously applied layers made with the material, wherein the plasma parameters are variable.

Zur Erzeugung des Plasmas wird ein ballistischer Kompressor in Form einer Kolben-Zylinder-Anordnung verwendet. Nach Einbringen des zu beeinflussenden Materials in den Zylinder wird das als Kompressionsraum dienende Rohr verschlossen, evakuiert und ein Arbeitsgas in das Rohr eingefüllt. Bei anschließender schneller Freigabe einer gespeicherten Energie wird dem Kolben ein Impuls erteilt, der ihn so beschleunigt, daß das im Zylinder befindliche Arbeitsgas annähernd adiabatisch komprimiert wird, wobei ein starkstrahlendes, dichtes Plasma entsteht. Durch Variation der Rohrlänge, des Rohrdurchmessers, der Kolbenenergie (Masse und Geschwindigkeit), der Gasart, des Anfangsdruckes und der Anfangstemperatur des Gases sind die zu erreichenden Kombinationen von Druck-, Strahlungs- und Wärmeimpuls steuerbar, wobei Drücke bis oberhalb 1 GPa, Temperaturen bis etwa 20000 K und Halbwertsbreiten der Druckimpulse von einigen lOpsbiszu einigen ms wählbar sind.To generate the plasma, a ballistic compressor in the form of a piston-cylinder arrangement is used. After introducing the material to be influenced into the cylinder serving as a compression chamber tube is closed, evacuated and filled a working gas into the tube. Upon subsequent rapid release of stored energy, the piston is given an impulse that accelerates it so that the working gas in the cylinder is approximately adiabatically compressed, producing a high-beam, dense plasma. By varying the pipe length, the pipe diameter, the piston energy (mass and speed), the gas type, the initial pressure and the initial temperature of the gas to be achieved combinations of pressure, radiation and heat pulse can be controlled, with pressures above 1 GPa, temperatures up to about 20,000 K and half-widths of the pressure pulses from a few lOpsbiszu some ms are selectable.

Die Strahlung des Plasmas wirkt unmittelbar auf das zu behandelnde Material und verändert dessen Oberfläche bis in Schichttiefen von 0,1 bis 100μηι. Infolge des Verlaufes der Kompression ist das Plasma sehr homogen, das Material wird daher sehr gleichmäßig belastet. Auf Grund der hohen Plasmadichte ist die optische Tiefe des strahlenden Mediums bereits bei geringer Ausdehnung sehr groß, so daß auch Objekte mit komplizierter Oberflächengestaltung der gesamten Strahlungsleistung ausgesetzt sind.The radiation of the plasma acts directly on the material to be treated and alters its surface up to layer depths of 0.1 to 100 μm. Due to the course of the compression, the plasma is very homogeneous, so the material is loaded very evenly. Due to the high plasma density, the optical depth of the radiating medium is very large even at low expansion, so that even objects with complicated surface design of the entire radiation power are exposed.

Auch die durch Wärmeleitung auf das zu behandelnde Material übergehende Energie und die kurzzeitige, hohe Druckbeaufschlagung beeinflussen die Oberflächen- und Volumeneigenschaften des zu behandelnden Materials.Also, the energy transferred by heat conduction to the material to be treated and the short-term, high pressure influence the surface and volume properties of the material to be treated.

Durch die Wahl des Arbeitsgases und/oder durch vorheriges Aufbringen von Fremdatome enthaltenden Schichten erfolgt der Einbau von Fremdatomen in das zu behandelnde Material, und es kann eine innige Verbindung zwischen einer vorher aufgebrachten Schicht und dem Werkstoff hergestellt werden.By choosing the working gas and / or by previously applying layers containing foreign atoms, the incorporation of foreign atoms in the material to be treated takes place, and it can be made an intimate connection between a previously applied layer and the material.

Weil die Energiezufuhr impulsförmig erfolgt, frieren die bei hoher Temperatur entstandenen Strukturen bei Abbruch der Energiezufuhr infolge der hohen Abkühlungsgeschwindigkeit der Oberflächenschicht ein.Because the energy supply is pulse-shaped, the structures formed at high temperature freeze when the energy supply is stopped due to the high cooling rate of the surface layer.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung sind Materialien, die nur einer intensiven Strahlung ohne Druckbeaufschlagung ausgesetzt werden sollen, außerhalb des Kompressionsraumes hinter einem optischen Fenster angeordnet.In another embodiment of the invention, materials which are only to be exposed to intensive radiation without pressurization are arranged outside the compression space behind an optical window.

embodiment

Eine Stahlprobe wurde in der mit Argon gefüllten Kammer einer Kolben-Zylinder-Anordnung einem Druck von 300 MPa und einer schwarzen Strahlung von ca. 17000 K direkt ausgesetzt. Druck und Strahlung wirkten etwa lOOpsauf die Probe. Es wurde eine Zunahme der Oberflächenhärte um den Faktor 4 auf ca. 1000 kp/mm² erreicht. Die Dicke der ausgehärteten Schicht beträgt einige 10 pm.A steel sample was directly exposed to a piston-and-cylinder arrangement in the argon-filled chamber at a pressure of 300 MPa and a black radiation of about 17,000 K. Pressure and radiation hit the test about 100 ps. An increase of the surface hardness by a factor of 4 to about 1000 kp / mm ^{2 was} achieved. The thickness of the cured layer is a few 10 pm.

Claims

A method for material property change in the near-surface region and in volume, characterized in that the materials are exposed to a generated by approximately adiabatic compression pulse-shaped, high-luminance, dense plasma and the change in surface and volume properties by single or combined action of pressure, heat conduction , Radiation, incorporation of foreign atoms or intimate connection of applied layers with the material.

2. Method according to item!, Characterized in that a piston-cylinder arrangement is used to generate the plasma.

3. The method according to item 1 and 2, characterized in that the plasma parameters are adjusted by varying the tube length, the tube diameter, the piston energy, the gas type, the initial pressure and the initial temperature of the gas.

4. The method according to item 1 to 3, characterized in that the plasma parameters pressure to above 1 GPa and temperature to 20000 K are varied and the half-width of the pressure pulse between some '\ 0 [is and a few ms.

5. The method according to item 1 to 4, characterized in that the material to be treated is exposed only to the radiation of the plasma.

6. The method according to item 1 to 4, characterized in that for the purpose of incorporating impurities in the material to be treated on the material of the plasma action, a layer containing the impurities is applied and / or a working gas is used which contains the impurities.

7. The method according to item 6, characterized in that an intimate connection between a layer applied by the plasma action and the material is produced.