-
Technisches Gebiet
-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer feinkörnigen Oberflächenschicht an einer metallischen Oberfläche eines Bauteils, die zur Beeinflussung bzw. zur Verbesserung von technischen Eigenschaften der Oberfläche führt. Derartige technische Eigenschaften können beispielsweise in einer erhöhten Korrosionsbeständigkeit, der Verbesserung der mechanischen Eigenschaften oder gegebenenfalls veränderten elektromagnetischen Eigenschaften bestehen.
-
Stand der Technik
-
Aus der
DE 10 2015 122 453 A1 ist ein Verfahren zur Erzeugung einer feinkörnigen Oberflächenschicht an einem Stahlflachprodukt mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bekannt. Das bekannte Verfahren offenbart zum Energieeintrag zur Erzeugung der feinkörnigen Oberflächenschicht einen Laser-, einen Plasma- oder einen Elektronenstrahl. Im Falle der Verwendung eines Laserstrahls ist es offenbart, dass dieser bei einem Stahlblech eine Eindringtiefe bis zu einer Tiefe von ca. 0,002 mm aufweist. Einzelheiten bezüglich der Parameter des Lasers bzw. der Laserstrahleinrichtung sind der genannten Schrift nicht entnehmbar.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung einer feinkörnigen Oberflächenschicht an einer metallischen Oberfläche eines Bauteils mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass es unter Verwendung gängiger Laserstrahleinrichtungen die Erzeugung einer feinkörnigen Oberflächenschicht ohne zusätzliche Kühlmaßnahmen ermöglicht.
-
Hintergrund hierfür ist, dass die bei Metallen verwendeten Laser (Festkörper- oder Diodenlaser) mit einer Wellenlänge zwischen 400 nm bis 4µm typischerweise eine optische Eindringtiefe in die Oberfläche im Bereich zwischen 10 nm bis 100 nm aufweisen, im Gegensatz zu der in der oben genannten Schrift erwähnten Eindringtiefe von 2.000 nm. Die geringe Eindringtiefe ermöglicht es, zum lokalen Aufschmelzen des Materials darüber hinaus eine relativ geringe Energiemenge einzubringen, wobei beim Erstarren zur gewünschten Erzeugung der feinkörnigen Oberflächenschicht infolge des geringen Energieeintrags in das Material keine zusätzlichen Kühlmaßnahmen erforderlich sind, da durch das nicht erwärmte Material unterhalb der optischen Eindringtiefe der bestrahlten Oberfläche und die hauptsächlich in die Tiefe stattfindende Wärmeleitung beispielsweise Abkühlgeschwindigkeiten von 106 Kelvin pro Sekunde des aufgeschmolzenen Materials erzielbar sind, wohingegen in der eingangs erwähnten Schrift Abkühlgeschwindigkeiten von ca. 103 Kelvin pro Sekunde, d.h. eine etwa 1.000-fach geringere Abkühlgeschwindigkeit, offenbart sind.
-
Zur Realisierung der genannten Vorteile sieht es das erfindungsgemäße Verfahren gemäß der Lehre seines Anspruchs 1 vor, dass der Laserstrahl eine Repetitionsrate im Megahertzbereich aufweist und mit Pulspaketen mit 20 bis 2000 Laserimpulsen auf die aufzuschmelzende Oberfläche des Bauteils einwirkt. Es handelt sich somit um ultrakurze Laserimpulse zum Aufschmelzen des Materials.
-
Da die optische Eindringtiefe eines derartigen Laserstrahls bei Metallen zwischen 10nm und 100nm liegt, wird die gesamte Energie des Laserstrahls in einer sehr dünnen Oberflächenschicht deponiert. Entsprechend ist der Temperaturgradient hin zum restlichen, noch kalten Bauteil sehr groß. Daher wird ein Pulszug aus sehr schnell aufeinanderfolgenden Laserimpulsen (im Abstand von 0,25 bis 25 Nanosekunden eingesetzt, um die Ausbildung der Schmelze an der Oberfläche zu ermöglichen, und um ein vorzeitiges Erstarren des Materials zu vermeiden. Trotz der Verwendung mehrerer Pulse ist der Schmelzfilm relativ dünn, meist an die 100nm bis wenige Mikrometer. Allerdings bildet sich genügend Schmelze über einen hinreichend großen Zeitraum (typischerweise zwischen 20 bis 2.000 Nanosekunden), sodass die Ausbildung neuer Körner mit geringen Dimensionen möglich wird.
-
Die Abkühlgeschwindigkeit des Schmelzfilms, der durch die besagten Pulszüge erzeugt wird, kann durch die Dauer bzw. die Anzahl der Laserimpulse im Pulszug sowie den zeitlichen Abstand zwischen den Laserimpulsen eingestellt werden. Somit ergeben sich für wenige Laserimpulse sehr kleine Körner, und für sehr viele Laserimpulse sehr große Körner. Da der Schmelzfilm allerdings relativ dünn ist, sind die großen Körner ungleich in ihrer räumlichen Ausdehnung. Es handelt sich somit eher um „Kornplatten“, die lateral, d.h. parallel zur Oberfläche, sehr groß sind und über den Durchmesser des Fokus eingestellt werden können und axial sehr klein bzw. dünn sind. Vorzugsweise weisen die Körner in radialer Richtung zur Oberfläche einen Durchmesser kleiner als 100 µm, besonders bevorzugt kleiner als 10 µm und insbesondere zwischen 0,5 µm und 5 µm auf. Alternativ oder zusätzlich weisen die Körner in axialer Richtung zur Oberfläche eine Größe zwischen 0,1 µm und 5 µm, besonders bevorzugt zwischen 1 µm und 2 µm, auf.
-
Die axiale Dimension kann über die Laserparameter wie Pulsenergie, zeitlicher Pulsabstand, Pulsdauer und Wellenlänge des Laserstrahls eingestellt werden. Da ultrakurze Laserimpulse aufgrund ihrer kurzen Pulsdauer von einigen Femtosekunden bis wenigen Pikosekunden enorme Intensitäten erzeugen, werden die Phasenübergange des Materials von enormen Druck/TemperaturSchwankungen beeinflusst. Die Schmelze unterliegt quasi dauerhaften Schwankungen der Temperatur und des Drucks, wodurch die Ausbildung metastabiler thermodynamischer Phasen begünstigt wird und entsprechend das Kornwachstum beeinflusst. Diese Schwankungen haben Einfluss auf die Keimbildungsraten und erzeugen einen Zustand fernab des thermodynamischen Gleichgewichts.
-
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung einer feinkörnigen Oberflächenschicht an einer metallischen Oberfläche eines Bauteils sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
-
Mit Blick auf die oben gemachten Ausführungen ist es insbesondere vorgesehen, dass der Laserstrahl auf die aufzuschmelzende Oberfläche über einen Zeitraum zwischen 20 ns bis 2 µs einwirkt.
-
Auch beträgt die Tiefe der Oberfläche, bis zu der diese aufgeschmolzen wird, typischerweise maximal einige Mikrometer, vorzugsweise bis maximal 4 µm.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht darüber hinaus bei der Abkühlung Abkühlraten im Bereich von 106 bis 107 Kelvin pro Sekunde.
-
Auch kann es vorgesehen sein, dass die Oberflächenschicht nach dem Erstarren wenigstens ein weiteres Mal durch den Laserstrahl aufgeschmolzen wird. Durch die wiederholte Anwendung des Aufschmelzens kann die Zusammensetzung der Legierung beeinflusst werden, ohne dadurch eine höhere Umschmelztiefe zu erreichen, da die verwendeten Energiemengen nach wie vor sehr gering sind, sodass sich das gesamte Bauteil um nur wenige Kelvin erwärmt. Es handelt sich dabei quasi um ein wiederholtes Umschmelzen des gleichen Bereichs der Oberfläche, der sich aufgrund der unterschiedlichen Löslichkeit und Phasenübergangstemperaturen der Legierungselemente und Prozesszusätze (bei der Verwendung von Gasen oder Flüssigkeiten) mit der Anzahl der Anwendungen des Prozesses verändern kann.
-
Auch kann es vorgesehen sein, dass die Oberflächenbehandlung zusätzlich unter einer Prozessgasatmosphäre, oder unter Einwirkung einer Flüssigkeit, oder einer Suspension auf die Oberfläche oder aber unter Einwirkung einer Plasmaatmosphäre erfolgt.
-
Hinsichtlich der Auswahl der Materialien des Bauteils, das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt werden soll, kann es insbesondere vorgesehen sein, dass dieses im Bereich der aufzuschmelzenden Oberflächenschicht aus einer Aluminiumlegierung oder aus Stahl oder aus einer Stahllegierung besteht.
-
Wie bereits oben erläutert, ist es insbesondere vorgesehen, dass der Laserstrahl eine optische Eindringtiefe in das Material der Oberfläche des Bauteils zwischen 10 nm und 100 nm und eine Wellenlänge zwischen 400 nm und 4 µm aufweist.
-
Ein typischer Energieeintrag in die Oberfläche des Bauteils liegt zwischen 1013 bis 1017 W/m2 und erfolgt innerhalb eines Zeitraums einiger Femtosekunden bis hin zu einigen Pikosekunden.
-
Weiterhin umfasst die Erfindung auch ein Bauteil, das nach einem soweit beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
-
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sowie anhand der Zeichnung.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnung
-
Die 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Anordnung zur Oberflächenbehandlung eines Bauteils, um eine feinkörnige Oberflächenschicht an dem Bauteil zu erzeugen.
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
In der 1 ist ein beispielhaft plattenförmiges Bauteil 1 gezeigt, das auf einer Auflage 2 positioniert ist. Die der Auflage 2 abgewandte Oberfläche 3 des Bauteils 1 wird mittels eines Laserstrahls LS zumindest bereichsweise aufgeschmolzen und erstarrt anschließend. Dadurch wird eine feinkörnige Oberflächenschicht 4 an der Oberfläche 3 des Bauteils 1 erzeugt.
-
Der Laserstrahl LS wird mittels einer Laserstrahleinrichtung 10 erzeugt, wobei die Wellenlänge des Laserstrahls LS zwischen 400nm und 12µm liegt, je nach verwendetem Laser (beispielsweise Festkörper- oder Diodenlaser). Der von der Laserstrahleinrichtung 10 erzeugte Laserstrahl LS wird mittels einer Scanneroptik 12 auf die Oberfläche 3 des Bauteils 1 gerichtet, wobei durch die Scanneroptik 12 auch eine Bewegung des Laserstrahls LS in der Ebene der Oberfläche 3 des Bauteils 1 erzielt wird.
-
Die Laserstrahleinrichtung 10 bzw. der Laserstrahl LS weist eine Repetitionsrate im Kilohertzbereich bis in den Megahertzbereich auf, typischerweise zwischen 1 MHz bis 500 MHz und wiederholt entweder Laserimpulse in Pulspaketen mit 20 bis 2.000 Laserimpulsen bei sehr kurzen Pulsabständen zwischen 1 und 50 Nanosekunden oder emittiert dauerhaft bei einer entsprechend hohen Repetitionsrate von 50 bis 500 MHz. Dabei wirkt der Laserstrahl LS auf die aufzuschmelzende Oberfläche 3 des Bauteils 1 über einen Zeitraum zwischen 20 ns und 2.000 ns ein. Der Energieeintrag in die Oberfläche 3 des Bauteils 1 durch den Laserstrahl LS beträgt dabei zwischen 1014 bis 1018 W/m2. Weiterhin weisen die Laserimpulse eine Pulsdauer zwischen 0,1 bis 50 Pikosekunden, vorzugsweise zwischen 0,5 und 20 Pikosekunden, auf.
-
Die durch den Laserstrahl LS aufgeschmolzene Oberflächenschicht 4 weist typischerweise eine Tiefe t von maximal einigen Mikrometern, vorzugsweise bis zu maximal 2µm auf. Nach dem Aufschmelzen der Oberflächenschicht 4 durch den Laserstrahl LS erfolgt ein rasches Abkühlen der Oberflächenschicht 4 unter Ausbildung einer feinkörnigen Oberflächenschicht 4. Dabei beträgt die Abkühlrate typischerweise etwa 106 bis 107 Kelvin pro Sekunde.
-
Eine bereits aufgeschmolzene und erstarrte Oberflächenschicht 4 kann mittels des Laserstrahls LS mehrmals wieder aufgeschmolzen werden, um dadurch die Struktur der Oberflächenschicht 4 oder deren chemische Zusammensetzung zu beeinflussen.
-
Bei dem Bauteil 1 handelt es sich insbesondere um ein Bauteil 1 aus einer Aluminiumlegierung oder einer Stahllegierung. Dabei kann es darüber hinaus vorgesehen sein, dass die Oberflächenbehandlung unter einer Schutzgasatmosphäre stattfindet. Alternativ können auch Prozessgase verwendet werden, um ein Impfen der Oberflächenschicht 4 beim Aufschmelzen mit Bestandteilen des Prozessgases zu ermöglichen. Alternativ können auch Flüssigkeiten oder Suspensionen eingesetzt werden. Auch ist das Ausbilden von gering ionisierten Plasmen und deren Interaktion mit den Materialien des Bauteils 1 möglich, um chemische Reaktionen zu begünstigen.
-
Durch die feinkörnige Oberflächenschicht 4 am Bauteil 1 kann beispielsweise eine lokale Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit, eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften oder gegebenenfalls eine veränderte elektromagnetische Eigenschaft des Bauteils 1 erzielt werden.
-
Das soweit beschriebene Verfahren kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102015122453 A1 [0002]
