DE102006031938B4 - Method and device for surface hardening of metallic materials by short pulse radiation - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Oberflächenhärtung eines metallischen Grundwerkstoffes durch Kurzpulsstrahlung, welche mittels eines Energiewandlers auf die zu härtende Oberfläche des Grundwerkstoffes gerichtet wird und auf dieser ein Plasma erzeugt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
– Beschichten des Grundwerkstoffes mit einem Ablationsmaterial, welches wenigstens einen Stoff aufweist, der mit dem Grundwerkstoff in Wechselwirkung tritt;
– Beaufschlagen der Oberfläche des metallischen Grundwerkstoffes mit der Kurzpulsstrahlung;
– Sublimieren oder Verdampfen des Ablationsmaterials durch die Kurzpulsstrahlung;
– Erzeugen und Einkoppeln einer Stoßwelle zur kinetischen und thermischen Einwirkung auf den Grundwerkstoff, um von der Oberfläche des Grundwerkstoffes in einen Bereich hinein eine Härtesteigerung durch Druckspannungseinbringung zu erzeugen; und
– Erzeugen einer Wechselwirkung des Stoffes des Ablationsmaterials mit dem Grundwerkstoff in einem sich von der Oberfläche hinein erstreckenden Bereich, um in diesem Bereich eine Härtesteigerung zu erzeugen.A method for surface hardening of a metallic base material by short pulse radiation, which is directed by means of an energy converter on the surface to be hardened of the base material and generates a plasma thereon, the method comprising the following steps:
Coating the base material with an ablation material having at least one substance that interacts with the base material;
- Applying to the surface of the metallic base material with the short pulse radiation;
Sublimation or evaporation of the ablation material by the short pulse radiation;
- Generating and coupling a shock wave for kinetic and thermal action on the base material to produce from the surface of the base material in a range in an increase in hardness by compressive stress introduction; and
Creating an interaction of the material of the ablation material with the base material in an area extending from the surface, in order to produce an increase in hardness in this area.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Oberflächenhärtung eines metallischen Grundwerkstoffes durch Kurzpulsstrahlung, welche mittels eines Energiewandlers auf die zu härtende Oberfläche des Grundwerkstoffes gerichtet wird und ein Plasma erzeugt.The The present invention relates to a method and a device for surface hardening of a Metallic base material by short pulse radiation, which by means of of an energy converter on the surface to be hardened Base material is directed and generates a plasma.

Es sind verschiedene Verfahren zum sogenannten Plasma-Shock-Peening (PSP) bekannt, welche entweder auf dem Verfahren des Laser-Shock-Peenings (LSP) oder auf dem Verfahren des Plasma-Impuls-Peening (PIP) basieren. Beim Plama-Shock-Peening wird durch Wechselwirkung eines Plasmas und einer metallischen Oberfläche, eine Festkörper-Stoßwelle induziert. In deren Folge wird in oberflächennahen Bereichen das Material plastisch verformt, was nach dem Abklingen der Stoßwelle in Druckeigenspannungen in Folge von Gitterdefekten resultiert. Diese Druckeigenspannungen führen allgemein zu einer höheren Härte, abhängig von der Art und der Höhe der Druckeigenspannungen wird zusätzlich eine Rissentstehung sowie eine Rissausbreitung erheblich verringert. Beim sogenannten reaktiven Plasma-Shock-Peening wird zusätzlich ein Stoff in die Oberfläche miteingebracht, welches als Diffusions-Implantation bezeichnet werden kann. Dadurch werden Einlagerungen in das Gitter des metallischen Materials erreicht, wobei auch durch die Einbringung von feindispersen Fremdphasen zusätzliche Härtesteigerungen erzielbar sind.It various methods for so-called plasma shock peening (PSP) are known which either on the method of laser shock peening (LSP) or based on the method of plasma pulse peening (PIP). At the Plama shock peening is due to interaction of a plasma and a metallic surface, a Solid state shock wave induced. As a result, in near-surface Areas the material plastically deformed, which after the decay the shockwave resulting in residual compressive stresses due to lattice defects. These compressive stresses lead generally to a higher one Hardness, dependent of the type and height The residual compressive stresses additionally become cracking and a crack propagation significantly reduced. When so-called reactive plasma shock peening, a substance is additionally incorporated in the surface, which can be referred to as diffusion implantation. This will be Deposits in the lattice of the metallic material, whereby also by the introduction of finely dispersed foreign phases additional hardness increases can be achieved.

Beim Laser-Shock-Peening wird zur Plasmaerzeugung an der Oberfläche ein Kurzpulslaser eingesetzt. Mit einer laserabsorbierenden Schicht wird auf der Oberfläche des Grundwerkstoffes eine Absorption der Laserstrahlung erreicht, wobei diese die laserabsorbierende Schicht verdampft und in den Plasmazustand überführt. Durch den dadurch entstehenden Druckstoß an der Oberfläche des metallischen Materials wird die Stoßwelle in das Material hinein induziert. Hingegen wird beim Plasma-Impuls-Peening eine instationäre Hyperschall-Plasma-Strömung in Form eines Kurzpulses auf die Oberfläche des Grundwerkstoffes gegeben und somit die Festkörper-Stoßwelle induziert.At the Laser shock peening is used to generate plasma at the surface Short pulse laser used. With a laser-absorbing layer will be on the surface the base material reaches an absorption of the laser radiation, this evaporates the laser absorbing layer and converts it into the plasma state. By the resulting pressure surge on the surface of Metallic material is the shock wave in the material into it induced. On the other hand, in the case of plasma pulse peening, a transient hypersonic plasma flow in Form of a short pulse given to the surface of the base material and thus induced the solid state shock wave.

Das Anwendungsgebiet derartiger Härteverfahren betrifft insbesondere den Bau von Strahltriebwerken von Luftfahrzeugen, deren Rotoren bei hohen Drehzahlen arbeiten, die hohen Zug- und Schwingungsbeanspruchungen hinsichtlich ihrer Schaufeln und anderen mechanisch und thermisch belasteten Bauteilen ausgesetzt sind. Allgemein kann das vorliegende Verfahren jedoch auch im allgemeinen Maschinenbau angewendet werden, um den Anforderungen an Komponenten aus metallischen Werkstoffen gerecht zu werden.The Field of application of such hardening methods in particular concerns the construction of jet engines of aircraft, their rotors operate at high speeds, the high tensile and vibration stresses in terms of their blades and other mechanically and thermally loaded Components are exposed. Generally, the present method However, also used in general mechanical engineering to the Requirements for components made of metallic materials to become.

Eine Anwendung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Anmeldung offenbart die EP 0 731 184 B1 . Hierin ist eine Gasturbinentriebwerkskomponente offenbart, bei der verschiedene Bereiche von metallischen Abschnitten wie Vorderkanten oder Hinterkanten von Triebwerksschaufeln mittels des Laser-Shock-Peening-Verfahrens einer Härtesteigerung unterzogen werden.An application of the method according to the present application discloses EP 0 731 184 B1 , Herein, a gas turbine engine component is disclosed in which various portions of metallic portions such as leading edges or trailing edges of engine blades are subjected to a hardness increase by the laser shock peening method.

Die DE 100 37 053 C2 offenbart ein Verfahren zum Plasma-Impuls-Peening eines metallischen Bauteils, wobei das Verfahren die Schritte des Bereitstellens eines metallischen Bauteils, das Beschichten eines Oberflächenabschnitts des metallischen Bauteils mit einem sublimierbaren Material und das Beaufschlagen des Oberflächenabschnitts mit einem gepulsten Plasmastrahl umfasst, so dass das aufgebrachte Material sublimiert und dadurch eine Stoßwelle in das Bauteil eingekoppelt wird, um die Bildung von bleibenden Druckspannungen in einem sich von dem Oberflächenabschnitt bis in das Bauteil hinein erstreckenden Bereich zu erzielen.The DE 100 37 053 C2 discloses a method of plasma pulse peening a metallic component, the method comprising the steps of providing a metallic component, coating a surface portion of the metallic component with a sublimable material, and subjecting the surface portion to a pulsed plasma jet Sublimed material and thereby a shock wave is coupled into the component in order to achieve the formation of residual compressive stresses in an extending from the surface portion into the component in the area.

Aus der DE 42 26 229 A1 ist ein Verfahren zur Beaufschlagung einer Werkstoffoberfläche bekannt, welches mit einem kurzzeitigen Impuls einer Masse hoher Energie und Dichte, bei dem die in einem Energiespeicher gespeicherte Energie in einen Energiewandler geleitet und dort auf einen in Richtung der Werkstoffoberfläche zu beschleunigenden Energieträger in Form eines Gases und/oder einer Flüssigkeit und/oder eines Feststoffes derart übertragen wird, dass der auf die Festkörperoberfläche auftretende Impuls mit der Randschicht des Festkörpers in Wechselwirkung tritt und in dieser extrem dünnen Randschicht ohne Beeinflussung des Grundwerkstoffes Veränderungen im Gefüge und/oder in der Struktur und/oder in der Zusammensetzung bewirkt.From the DE 42 26 229 A1 a method for applying a material surface is known, which with a short-term pulse of a mass of high energy and density, in which the energy stored in an energy storage passed into an energy converter and there on a to be accelerated in the direction of the material surface energy carrier in the form of a gas and / or a liquid and / or a solid is transferred such that the impulse occurring on the solid surface with the surface layer of the solid interacts and in this extremely thin surface layer without affecting the base material changes in the structure and / or in the structure and / or in the composition causes.

Nachteilhafterweise müssten dabei die Festkörperpartikel in Form von Elementen oder Verbindungen in kristalliner oder amorpher Form eingebracht werden, wobei keine stofflichen Veränderungen der Partikel erfolgt und demgemäß eine mechanische Legierung unter hochenergetischer Impulseinwirkung bewirkt wird. Ein weiterer Nachteil ist, dass die Zusatzstoffe dabei in gasförmiger Phase in das Plamsa eingebracht oder gleichmäßig verteilt auf eine Folie aufgebracht werden, so dass die Partikel durch die Folie getragen werden müssen und die Folie der Plasmaströmung bzw. dem Plasmaimpuls ausgesetzt wird. Durch deren Einwirkung wird die Folie zerstört. Die damit erzielbaren Effizienzen hinsichtlich des prozentualen Anteils der eingebrachten Stoffmenge in vergleichsweise gering.Disadvantageously would while the solid particles in the form of elements or compounds in crystalline or amorphous Form are introduced, with no material changes the particle takes place and accordingly a mechanical Alloy is effected under high energy pulse action. Another disadvantage is that the additives in gaseous phase placed in the plasmas or evenly distributed on a foil be applied so that the particles are carried through the film Need to become and the film of plasma flow or the plasma pulse is exposed. By their action will destroyed the foil. The achievable efficiencies in terms of percentage Proportion of the introduced amount of substance in comparatively small.

Aus der DE 44 36 163 A1 ist ein Verfahren und eine Einrichtung zum gleichzeitigen kurzzeitigen Aufschmelzen, Einlegieren und anschließendem Schockhärten von Festkörperrandschichten bekannt. Dabei wird eine kurzzeitig wirkende Strömung eines hochenergetischen Plasmas auf die zu beeinflussende Oberflächenschicht gerichtet. Der Plasmapuls wird dabei hinsichtlich Zusammensetzung, Temperatur, Dichte und Geschwindigkeit so ausgelegt, dass die Oberflächenschicht aufgeschmolzen wird.From the DE 44 36 163 A1 For example, a method and apparatus for the simultaneous short-term melting, alloying and subsequent shock-hardening of solid-state boundary layers is known. In this case, a short-term acting flow of a high-energy plasma is directed to the surface layer to be influenced. The plasma pulse is designed with regard to composition, temperature, density and speed so that the surface layer is melted.

Dabei ist nachteilhafterweise ein Aufschmelzen der Randschicht des Grundwerkstoffes erforderlich, wodurch eine geometrische Änderung bzw. eine Beeinflussung der Oberflächenschicht des Grundwerkstoffes entsteht.there is disadvantageously a melting of the surface layer of the base material required, creating a geometric change or an influence the surface layer of the base material is created.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Oberflächenhärtung eines metallischen Grundwerkstoffs durch Kurzpulsstrahlung zu schaffen, welches bzw. welche bekannte Verfahren zur Oberflächenhärtung mittels Kurzpulsstrahlung nutzt, und zusätzlich eine einfache Implantation von Fremdatomen in das Gitter des metallischen Grundwerkstoffs ermöglicht.It is therefore the object of the present invention, a method and an apparatus for surface hardening a metallic base material By short pulse radiation to create which or which known Process for surface hardening by means of Short pulse radiation uses, and in addition one simple implantation of foreign atoms in the lattice of the metallic Base material allows.

Diese Aufgabe wird von einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie von einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.These Task is by a method having the features of the claim 1 and of a device with the features of claim 8 solved. Advantageous developments of the invention are specified in the dependent claims.

Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Beschichten des Grundwerkstoffes mit einem Ablationsmaterial, welches wenigstens einen Stoff aufweist, der mit dem Grundwerkstoff in Wechselwirkung tritt, Beaufschlagen der Oberfläche des metallischen Grundwerkstoffes mit der Kurpulstrahlung, Sublimieren oder Verdampfen des Ablationsmaterials durch die Kurzpulsstrahlung, Erzeugen und Einkoppeln einer Stoßwelle zur kinetischen und thermischen Einwirkung auf den Grundwerkstoff, um von der Oberfläche des Grundwerkstoffes in einen Bereich hinein eine Härtsteigerung durch Druckspannungseinbringung zu erzeugen, und weiterhin die Erzeugung einer Wechselwirkung des Stoffes des Ablationsmaterials mit dem Grundwerkstoff in einem sich von der Oberfläche hinein erstreckenden Bereich, um in diesem ebenfalls eine Härtesteigerung zu erzeugen.The Invention includes The technical teaching is that the procedure the following steps comprising: coating the base material with an ablation material, which has at least one substance which is compatible with the base material interacts, impinging on the surface of the Metallic base material with Kurpulstrahlung, sublimation or vaporizing the ablation material by the short pulse radiation, Generating and coupling a shock wave to the kinetic and thermal action on the base material to remove from the surface of the Base material in one area into an increase in hardness by compressive stress and continue to generate an interaction of the Substance of Ablationsmaterials with the base material in a from the surface extending into it, in order to increase its hardness to create.

Die Erfindung geht dabei von dem Gedanken aus, dass das Ablationsmaterial nicht nur zur Verdampfung bzw. zur Sublimation verwendet wird, um das notwenige Plasma zu erzeugen, sondern darüber hinaus ein in die Oberfläche gut eindiffundierendes, bzw. darüber hinaus auch mit den Bestandteilen der Matrix des Grundwerkstoffes reagierendes Material enthält oder sogar aus diesem besteht. Somit ist zum Einen eine Härtesteigerung des Grundwerkstoffes im oberflächennahen Bereich durch die Einbringung von Druckeigenspannungen erzielbar, und zum Anderen die Erzeugung einer Härtesteigerung in einem oberflächennahen Bereich des Grundwerkstoffes möglich, welche auf einer Wechselwirkung des Stoffes des Ablationsmaterials mit dem Grundwerkstoff beruht. Auf diese Weise ist nicht nur eine Verfahrenskombination erzielbar, welche zwei voneinander unabhängige Prozesse zur Härtesteigerung umfasst, sondern es kann das Ablationsmaterial als Trägermaterial für den in den Grundwerkstoff einzubringenden Stoff verwendet werden.The The invention is based on the idea that the ablation material is not only used for evaporation or sublimation to the necessary plasma to produce, but also a good in the surface diffusing, or above also with components of matrix of base material contains reactive material or even made up of this. Thus, on the one hand, a hardness increase of the base material in the near-surface Range achievable by the introduction of residual compressive stresses, and second, the generation of a hardness increase in a near-surface Area of the base material possible, which is due to an interaction of the substance of the ablation material based on the base material. That way, not just one Process combination achievable, which two independent processes to increase hardness but it may be the Ablationsmaterial as a carrier material for the be used in the base material to be introduced.

In Verbindung mit der Härtesteigerung geht insbesondere in diesem Bereich auch eine Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit einher.In Compound with the hardness increase In this area in particular, there is also an increase in corrosion resistance associated.

Durch die gezielte Verwendung reaktiver organischer Gruppierungen in einem Ablationsmaterial, welche entweder durch Zumischung entsprechender Materialien oder durch die Verwendung von Ablationsmaterialien mit entsprechend reaktiven Gruppen möglich ist, lassen sich in oberflächennahen Bereichen Steigerungen der Härte bzw. Steigerungen der Häufigkeit von Druckeigenspannungen erreichen. Trifft nun die Kurzpulsstrahlung auf die Oberfläche des Grundwerkstoffes bzw. auf das Ablationsmaterial, so wird dieses entweder aus einer flüssigen Phase verdampft oder aus einer festen Phase sublimiert. Durch die extrem hohe Leistungsdichte des Kurzpulsstrahls erfolgt eine Überführung in einen Plasmazustand, welche einen detonationsartigen Charakter aufweist. Durch die extrem kurzzeitige Ausdehnung mit entsprechend hohen Ausbreitungsgeschwindigkeiten wird zunächst das Material des Grundwerkstoffes mechanisch und thermisch beeinflusst. Vermittels der mechanischen bzw. thermischen Beeinflussung ist eine Erzielung von Druckeigenspannungen im Material des Grundwerkstoffes erzielbar, in dem große Druckeigenspannungen erzeugt werden, die basierend auf einem Verfestigungseffekt eine höhere Härte des Werkstoffs hervorrufen. Dieser Effekt wird überlagert mit dem Eindringen der Fremdstoffe bzw. Fremdphasen oder Fremdatome, welche ebenfalls zu einer Härtesteigerung führen. Vorteilhafterweise wird weder mittels des Erzeugens und Einkoppelns der Stoßwelle und der damit erzielbaren Druckspannungseinbringung noch durch die Wechselwirkung des Stoffes im Ablationsmaterial der Grundwerkstoff aufgeschmolzen bzw. in seiner Phase verändert, wodurch sich keine bleibenden geometrischen Veränderungen des Grundwerkstoffes ergeben.By the targeted use of reactive organic groups in one Ablation material which either by admixing corresponding Materials or by the use of ablation materials with according to reactive groups possible is, can be near the surface Areas of increases in hardness or increases in frequency reach of residual compressive stresses. Now hits the short pulse radiation on the surface of the Base material or on the ablation material, so this is either from a liquid Phase evaporated or sublimed from a solid phase. By the extremely high power density of the short pulse beam is converted into a plasma state having a detonation-like character. Due to the extremely short-term expansion with correspondingly high propagation speeds will be first the material of the base material is influenced mechanically and thermally. By means of the mechanical or thermal influence is a Achieving residual compressive stresses in the material of the base material achievable in the large Compressive residual stresses generated based on a solidification effect a higher one Hardness of Material cause. This effect is superimposed with the penetration the foreign substances or foreign phases or foreign atoms, which also to a hardness increase to lead. Advantageously, neither by means of generating and coupling the shockwave and the achievable compressive stress still through the Interaction of the substance in the ablation material of the base material melted or changed in its phase, resulting in no lasting geometric changes of the base material.

Ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass das Verfahren nach Art eines Plasma-Impuls-Verfestigungsverfahrens ausgeführt wird. Alternativ kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass das Verfahren nach Art eines Laser-Schock-Verfestigungsverfahrens ausgeführt wird.One Another advantageous embodiment According to the present invention, the method according to Art a plasma pulse solidification process accomplished becomes. Alternatively, it can be advantageously provided that the Process is performed in the manner of a laser shock solidification process.

Vorteilhafterweise diffundiert der Stoff des Ablationsmaterials in das metallische Grundmaterial hinein. Durch den Diffusionsvorgang wird eine entsprechende Härtesteigerung erzielt. Ebenso besteht die Möglichkeit, dass der Stoff des Ablationsmaterials mit dem metallischen Grundmaterial reagiert, um auf gleiche Weise eine Härtesteigerung zu erzielen. Der Stoff kann entweder als Zusatzstoff dem Ablationsmaterial zugegeben werden oder das Ablationsmaterial umfasst selbst den Stoff, welcher zur Härtesteigerung hinzugeführt wird.Advantageously, the substance of the diffuses Ablation material into the metallic base material. By the diffusion process, a corresponding increase in hardness is achieved. There is also the possibility that the material of the ablation material reacts with the metallic base material in order to achieve a similar increase in hardness. The fabric may either be added as an additive to the ablation material or the ablation material itself comprises the fabric which is added to increase the hardness.

Beim Plasma-Impuls-Verfestigungsverfahren wird die Stoßwelle durch eine Hyperschall-Plasmaströmung auf der Oberfläche des Grundwerkstoffs erzeugt. Hingegen wird beim Laser-Schock-Verfestigungsverfahren die Stoßwelle durch ein Verdampfen oder Sublimieren und anschließendes Überführen des Ablationsmaterials in den Plasmazustand erzeugt. Der Stoff, welcher dem Ablationsmaterial zugegeben ist, kann kurzkettige Parafine umfassen, um beispielsweise Kohlenstoffeinlagerungen im Grundwerkstoff zu bilden. Ferner kann der Stoff organische Stickstoffverbindungen umfassen, welche Stickstoffheterozyklen und/oder organische Armine aufweist, um Stickstoffeinlagerungen im Grundwerkstoff zu bilden.At the Plasma pulse solidification method is the shock wave through a hypersonic plasma flow on the surface of the base material. On the other hand, the laser shock solidification process the shockwave by evaporation or sublimation and subsequent transfer of the Ablation material generated in the plasma state. The substance, which added to the ablation material may comprise short-chain paraffins, for example, carbon deposits in the base material too form. Further, the substance may be organic nitrogen compounds comprising nitrogen heterocycles and / or organic armines to form nitrogen deposits in the parent material.

Ferner kann das Ablationsmaterial Azofarbstoffe umfassen, welche laserstrahlabsorbierende Eigenschaften aufweisen, um den Absorptionsgrad bei der Anwendung des Laser-Schock-Verfestigungsverfahrens zu erhöhen. Azofarbstoffe sind organische Farbstoffe bzw. organische Pigmente, welche als farbgebende Gruppe eine oder mehrere Azogruppen enthalten. Azogruppen beschreiben dabei die Gruppe von organischen Verbindungen, welche funktionelle N=N-Gruppierungen enthalten. Funktionelle Gruppen umfassen Atomgruppen in organischen Verbindungen, die die Stoffeigenschaften und das Reaktionsverhalten der sie tragenden Verbindungen maßgeblich bestimmen. Chemische Verbindungen, die die gleichen funktionellen Gruppen tragen, werden aufgrund ihrer oft ähnlichen Eigenschaften zu verschiedenen Stoffklassen zusammengefasst. Innerhalb dieser Stoffklassen lassen sich die laserabsorbierenden Eigenschaften der Azofarbstoffe derart anpassen, dass eine Optimierung der Laserstrahlabsorption erzielbar ist, um einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erreichen.Further For example, the ablation material may comprise azo dyes which are laser-absorbent Have properties to the absorption level in the application the laser shock consolidation process to increase. Azo dyes are organic dyes or organic pigments, which contain one or more azo groups as a colorant group. Azo groups describe the group of organic compounds, which contain functional N = N groups. Functional groups include atomic groups in organic compounds that have the substance properties and the reaction behavior of the compounds carrying them determine. Chemical compounds that are the same functional Groups wear, because of their often similar characteristics to different Substance classes summarized. Within these substance classes let the laser-absorbing properties of the azo dyes adapt to that an optimization of the laser beam absorption is achievable one possible to achieve high efficiency.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Energiewandler eine Kurzpulslaserstrahlquelle zur Erzeugung kurzpulsiger, hochenergetischer Laserstrahlung umfasst. Alternativ kann der Energiewandler eine Plasmaimpulsquelle zur Erzeugung eines Plasmastrahls aufweisen. Die Energiewandler werden in Form von elektrischer Energie gespeist, die in Energiespeichern gespeichert ist. Die Energiespeicher können entweder als induktive Speicher oder kapazitive Speicher ausgeführt sein. Im Ausführungsbeispiel der Plasmaimpulsquelle kann diese einen plasmadynamischen Beschleuniger umfassen, welcher eine Plasmastoßwelle mit einer Geschwindigkeit bis zu 150 km/s auf die Oberfläche des Grundwerkstoffs richtet.A another embodiment The invention provides that the energy converter is a short pulse laser beam source for generating short-pulse, high-energy laser radiation. Alternatively, the energy converter may generate a plasma pulse source of a plasma jet. The energy converters are in shape powered by electrical energy stored in energy storage is. The energy storage can be designed either as inductive storage or capacitive storage. In the embodiment the plasma pulse source can this a plasma dynamic accelerator comprising a plasma burst wave at a speed up to 150 km / s on the surface of the base material.

Vorteilhafterweise kann das Verfahren zur Härtung von oberflächenahen Schichten von Strahltriebwerkskomponenten angewendet werden, wobei der Grundwerkstoff aus den Triebwerkskomponenten gebildet wird.advantageously, can the curing process of near-surface Layers of jet engine components are applied, the Base material is formed from the engine components.

Die vorliegende Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene, bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.The present invention limited in their execution not to the above-mentioned, preferred embodiment. Rather, a number of variants is conceivable, which of the illustrated solution also in principle different types Use.

Claims (11)

Verfahren zur Oberflächenhärtung eines metallischen Grundwerkstoffes durch Kurzpulsstrahlung, welche mittels eines Energiewandlers auf die zu härtende Oberfläche des Grundwerkstoffes gerichtet wird und auf dieser ein Plasma erzeugt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: – Beschichten des Grundwerkstoffes mit einem Ablationsmaterial, welches wenigstens einen Stoff aufweist, der mit dem Grundwerkstoff in Wechselwirkung tritt; – Beaufschlagen der Oberfläche des metallischen Grundwerkstoffes mit der Kurzpulsstrahlung; – Sublimieren oder Verdampfen des Ablationsmaterials durch die Kurzpulsstrahlung; – Erzeugen und Einkoppeln einer Stoßwelle zur kinetischen und thermischen Einwirkung auf den Grundwerkstoff, um von der Oberfläche des Grundwerkstoffes in einen Bereich hinein eine Härtesteigerung durch Druckspannungseinbringung zu erzeugen; und – Erzeugen einer Wechselwirkung des Stoffes des Ablationsmaterials mit dem Grundwerkstoff in einem sich von der Oberfläche hinein erstreckenden Bereich, um in diesem Bereich eine Härtesteigerung zu erzeugen.Process for surface hardening of a metallic base material by short pulse radiation, which by means of an energy converter the one to be hardened surface of the base material is directed and generates a plasma on this, the method comprising the following steps: - coating the base material with an ablation material, which at least has a substance that interacts with the base material occurs; - Apply the surface the metallic base material with the short pulse radiation; - sublimation or vaporizing the ablation material by the short pulse radiation; - Produce and coupling a shock wave for kinetic and thermal action on the base material, from the surface of the base material in an area into a hardness increase by To generate compressive stress introduction; and - Creating an interaction the substance of the ablation material with the base material in a from the surface into the area extending to increase hardness in this area to create. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren nach Art eines Plasma-Impuls-Verfestigungsverfahrens ausgeführt wird.Method according to claim 1, characterized in that that the method in the manner of a plasma pulse solidification process accomplished becomes. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren nach Art eines Laser-Schock-Verfestigungsverfahrens ausgeführt wird.Method according to claim 1, characterized in that that the method in the manner of a laser shock solidification process is performed. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stoff des Ablationsmaterials in das metallische Grundmaterial hinein diffundiert, um die Härtesteigerung zu erzielen.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the substance of Ablationsmaterials in the metallic Base material diffused into it to achieve the hardness increase. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stoff des Ablationsmaterials mit dem metallischen Grundmaterial reagiert, um die Härtesteigerung zu erzielen.Method according to Claims 1 to 3, characterized that the substance of Ablationsmaterials with the metallic base material reacts to the hardness increase to achieve. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Plasma-Impuls-Verfestigungsverfahren die Stoßwelle durch eine Hyperschall-Plasmaströmung auf der Oberfläche des Grundwerkstoffes erzeugt wird.Method according to claim 2, characterized in that that in the plasma pulse solidification process the shockwave by a hypersonic plasma flow on the surface of the base material is generated. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass beim Laser-Schock-Verfestigungsverfahren die Stoßwelle durch ein Verdampfen oder Sublimieren und ein anschließendes Überführen des verdampften oder sublimierten Ablationsmaterials in den Plasmazustand erzeugt wird.Method according to claim 3, characterized that in the laser shock solidification process the shockwave by evaporation or sublimation and subsequent transfer of the vaporized or sublimated ablation material into the plasma state becomes. Vorrichtung zur Oberflächenhärtung eines metallischen Grundwerkstoffes durch Kurzpulsstrahlung, welche einen Energiewandler umfasst, der die Kurzpulsstrahlung erzeugt und auf die zu härtende Oberfläche des Grundwerkstoffes richtet und mit dieser aus einem auf der Oberfläche des Grundwerkstoffes aufgebrachte Ablationsmaterial ein Plasma erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass das Ablationsmaterial wenigstens einen Stoff aufweist, der durch die Überführung in den Plasmazustand in den Grundwerkstoff eindiffundiert und/oder mit diesem reagiert.Device for surface hardening of a metallic base material by short pulse radiation, which comprises an energy converter, the generates the short pulse radiation and on the surface to be hardened Base material and with this from a on the surface of the Base material deposited ablation material produces a plasma, characterized in that the ablation material at least one Has substance by the transfer in the plasma state diffused into the base material and / or reacted with this. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Stoff kurzkettige Paraffine und/oder organische Stickstoffverbindungen, umfassend Stickstoff-Heterocyclen und/oder organische Amine, aufweist.Device according to claim 8, characterized in that that the substance is short-chain paraffins and / or organic nitrogen compounds, comprising nitrogen heterocycles and / or organic amines. Vorrichtung nach Anspruch 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Ablationsmaterial Azofarbstoffe umfasst, welche laserstrahlabsorbierende Eigenschaften aufweisen, um den Absorptionsgrad bei der Anwendung des Laser-Schock-Verfestigungsverfahrens zu erhöhen.Apparatus according to claim 8 to 9, characterized the ablation material comprises azo dyes which have laser-beam absorbing properties to the degree of absorption in the application of the laser shock solidification process to increase. Vorrichtung nach Anspruch 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiewandler eine Kurzpuls-Laserstrahlquelle und/oder eine Plasmaimpulsquelle aufweist.Apparatus according to claim 8 to 10, characterized the energy converter has a short-pulse laser beam source and / or having a plasma pulse source.
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