DE102022100262A1

DE102022100262A1 - Coating process and coated component

Info

Publication number: DE102022100262A1
Application number: DE102022100262.4A
Authority: DE
Inventors: Stefan Baum
Original assignee: Gebrueder Heller Maschinenfabrik GmbH
Current assignee: Gebrueder Heller Maschinenfabrik GmbH
Priority date: 2022-01-07
Filing date: 2022-01-07
Publication date: 2023-07-13

Abstract

Erfindungsgemäß wird die Verankerung einer im Flammen- oder Drahtspritzverfahren aufgebrachten Schicht, insbesondere Stahlschicht, auf einem Grundkörper, zum Beispiel dem Bauteil (10) nach Vorbehandlung der zu beschichtenden Fläche (11) veranschaulicht. Die Vorbehandlung dient der Aufrauung der Schicht (11) und wird im Laserstrukturierungsverfahren DLIP durchgeführt. Es ergibt sich eine gleichmäßige und gute Verankerung der Schicht, die hochbelastbar ist und gleichmäßige mechanische Eigenschaften aufweist.According to the invention, the anchoring of a layer, in particular a steel layer, applied using a flame or wire spraying process is illustrated on a base body, for example the component (10) after pretreatment of the surface (11) to be coated. The pretreatment serves to roughen the layer (11) and is carried out in the DLIP laser structuring process. The result is a uniform and good anchoring of the layer, which is highly resilient and has uniform mechanical properties.

Description

Die Erfindung betrifft ein Beschichtungsverfahren, insbesondere zur Beschichtung von Maschinenteilen oder anderen Bauteilen, insbesondere Bauteilen auf Basis eines Eisenwerkstoffs, wobei die aufgebrachte Beschichtung, zumindest vorzugsweise, aus einem Stahl oder Nickelbasismaterial oder einem anderen verschleißfesten Material besteht. Außerdem betrifft die Erfindung ein beschichtetes Bauteil.The invention relates to a coating method, in particular for coating machine parts or other components, in particular components based on a ferrous material, the applied coating preferably consisting of a steel or nickel-based material or another wear-resistant material. The invention also relates to a coated component.

Das Aufbringen verschleißfester Beschichtungen auf Grundmaterialien erfolgt häufig im Flammenspritzen, Lichtbogendrahtspritzen oder in einem anderen Beschichtungsverfahren, bei denen ein Sprühstrahl mit flüssigen Metallpartikeln auf die zu beschichtende Fläche gerichtet wird. Zur Verankerung der aufgesprühten Schicht auf der zu beschichtenden Fläche des Bauteils wird diese Fläche typischerweise aufgeraut. Dazu schlagen die DE 10 2014 210 636 A1 sowie die DE 10 2008 058 452 A1 jeweils Schneidwerkzeuge vor, mit denen an der zu beschichtenden Fläche makroskopische Nuten erzeugt werden, die zu einer formschlüssigen Verankerung der aufgebrachten Metallschicht an dem Grundwerkstück führen. Auch die DE 10 2015 118 341 A1 schlägt die Ausbildung vom makroskopischen Nuten zur Verankerung einer aufgespritzten Schicht mittels eines Schneidwerkzeugs vor.Wear-resistant coatings are often applied to base materials using flame spraying, wire arc spraying or another coating process in which a spray jet of liquid metal particles is directed onto the surface to be coated. To anchor the sprayed layer on the surface of the component to be coated, this surface is typically roughened. For this they beat DE 10 2014 210 636 A1 as well as the DE 10 2008 058 452 A1 in each case before cutting tools with which macroscopic grooves are produced on the surface to be coated, which lead to a positive anchoring of the applied metal layer on the base workpiece. Also the DE 10 2015 118 341 A1 proposes the formation of macroscopic grooves for anchoring a sprayed layer by means of a cutting tool.

Außerdem offenbart die DE 103 14 249 B3 ein Verfahren zur Vorbereitung von Oberflächen zum späteren Beschichten mittels eines Kreuzverfahrens, mit dem kreuzförmige Riefen erzeugt werden.In addition, the DE 103 14 249 B3 a process for preparing surfaces for later coating by means of a cross process, with which cross-shaped grooves are produced.

Die DE 10 2007 023 418 B4 beschreibt die Erzeugung von Formtaschen in einer Werkstückoberfläche, wobei diese Formtaschen zur Verankerung einer aufgespritzten Schicht dienen. Sie bilden eine Verkrallstruktur mit Strukturlängen von 90 µm bis 10 µm und Strukturdurchmessern von 40 µm bis 80 µm.The DE 10 2007 023 418 B4 describes the production of mold pockets in a workpiece surface, these mold pockets serving to anchor a sprayed-on layer. They form a claw structure with structure lengths of 90 µm to 10 µm and structure diameters of 40 µm to 80 µm.

Zur Haftungsverbesserung von Beschichtungen, die allgemein zum Beispiel durch physikalische, chemische oder elektrochemische Techniken aufgebracht werden, wie zum Beispiel Gold-, Kupfer- oder Silberbeschichtungen auf Metallen, Keramikmaterialien, Polymermaterialien oder ähnlichem, schlägt die EP 2 343 533 A2 die Oberflächenstrukturierung mittels direkter Laserinterferenzstrukturierung (DLIP) vor. DLIP wird auch in einer ganzen Reihe weiterer Druckschriften beschrieben oder genutzt, so zum Beispiel in der DE 10 2011 012 320 B4 , DE 10 2020 109 577 A1 , DE 10 2017 206 968 B4 , DE 10 2016 215 160 A1 , DE 10 2017 211 511 A1 , DE 10 2018 220 434 A1 , WO 2020/173908 A1 , WO 2021/013939 A1 , DE 10 2017 214 736 B4 , DE 10 2018 200 036 B3 , DE 10 2018 207 133 A1 , DE 10 2019 119 790 A1 , DE 20 2019 101 652 U1 , DE 10 2019 208 106 B3 .To improve the adhesion of coatings that are generally applied, for example, by physical, chemical or electrochemical techniques, such as gold, copper or silver coatings on metals, ceramics, polymers or the like, proposes the EP 2 343 533 A2 surface structuring using direct laser interference structuring (DLIP). DLIP is also described or used in a number of other publications, for example in the DE 10 2011 012 320 B4 , DE 10 2020 109 577 A1 , DE 10 2017 206 968 B4 , DE 10 2016 215 160 A1 , DE 10 2017 211 511 A1 , DE 10 2018 220 434 A1 , WO 2020/173908 A1 , WO 2021/013939 A1 , DE 10 2017 214 736 B4 , DE 10 2018 200 036 B3 , DE 10 2018 207 133 A1 , DE 10 2019 119 790 A1 , DE 20 2019 101 652 U1 , DE 10 2019 208 106 B3 .

Werden makroskopische Strukturen zur Verankerung einer im Lichtbogendrahtspritzen, Flammenspritzen oder dergleichen aufgebrachten Schicht verwendet, können insbesondere bei Beschichtung von Leichtmetallwerkstücken entlang der Oberfläche der aufgespritzten Schicht infolge der periodischen Schwankungen der Schichtdicke periodische Schwankungen der mechanischen Eigenschaften der Schicht entstehen. Dies kann unerwünscht sein. Jedoch kann andererseits auf eine mechanische Vorbehandlung der zu beschichtenden Fläche kaum verzichtet werden, wenn eine zuverlässige Haftung der Schicht an der beschichteten Fläche erreicht werden soll.If macroscopic structures are used to anchor a layer applied by wire arc spraying, flame spraying or the like, periodic fluctuations in the mechanical properties of the layer can occur along the surface of the sprayed layer, particularly when coating light metal workpieces, as a result of the periodic fluctuations in the layer thickness. This can be undesirable. However, on the other hand, mechanical pretreatment of the surface to be coated can hardly be dispensed with if reliable adhesion of the layer to the coated surface is to be achieved.

Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Konzept zur Haftungsverbesserung aufgespritzter Schichten an Werkstücken anzugeben, wobei die Schicht gleichmäßige mechanische Eigenschaften haben soll.Proceeding from this, it is the object of the invention to provide a concept for improving the adhesion of sprayed-on layers to workpieces, with the layer having uniform mechanical properties.

Diese Aufgabe wird mit dem Beschichtungsverfahren nach Anspruch 1 gelöst. Ebenso ist das erfindungsgemäße Konzept in dem Bauteil nach Anspruch 11 verwirklicht.This object is achieved with the coating method according to claim 1. The concept according to the invention is also implemented in the component according to claim 11 .

Das erfindungsgemäße Konzept sieht vor, die zu beschichtende Fläche eines mit der Beschichtung zu versehenden Körpers aufzurauen, indem auf die zu beschichtende Fläche ein Interferenzmuster projiziert wird, das eine derartige Intensität aufweist, dass es zu einem Materialabtrag von der Fläche führt. Das Interferenzmuster weist vorzugsweise eine Linienbreite von Bruchteilen eines Mikrometers bis zu wenigen Mikrometern auf, sodass sie zwar haftungsverbessernd aber nicht makroskopisch in dem Sinne in Erscheinung tritt, dass sie die mechanischen Eigenschaften der aufgebrachten Schicht lokal verändern würde. Die auf diese Weise auf der Fläche erzeugten Strukturen liegen vorzugsweise im Mikrometerbereich. Z.B. kann der senkrecht zur Fläche zu messende Abstand zwischen der tiefsten Vertiefung und der höchsten Erhebung zwischen 0,5 µm und 10 µm liegen. Dieser Abstand kann als Strukturtiefe T entlang einer linearen Messtrecke mit einem Rautiefenmessgerät bestimmt werden. Das Verhältnis der Höhe zur Breite der erzeugten Strukturen liegt vorzugsweise in einem Bereich von 1/2 bis 7/1. Die Höhe wird dabei senkrecht zu der Fläche (parallel zur Flächennormalen) gemessen. Die Breite wird quer dazu gemessen.The concept according to the invention provides for roughening the surface to be coated of a body to be provided with the coating by projecting an interference pattern onto the surface to be coated that has such an intensity that it leads to material removal from the surface. The interference pattern preferably has a line width of fractions of a micrometer up to a few micrometers, so that although it improves adhesion, it does not appear macroscopically in the sense that it would locally change the mechanical properties of the applied layer. The structures produced on the surface in this way are preferably in the micrometer range. For example, the distance between the deepest depression and the highest elevation to be measured perpendicular to the surface can be between 0.5 µm and 10 µm. This distance can be determined as the structure depth T along a linear measurement path using a surface roughness measuring device. The ratio of the height to the width of the structures produced is preferably in a range from 1/2 to 7/1. The height is measured perpendicular to the surface (parallel to the surface normal). The width is measured across it.

Das Interferenzmuster kann beispielsweise durch Überlagerung von Lichtbündeln erzeugt werden, die z.B. mittels Strahlteiler aus einer gemeinsamen kohärenten Lichtquelle, beispielsweise einem entsprechend leistungsstarken Laser abgeleitet worden sind. Der Laser kann ein Infrarotlaser, ein im sichtbaren Lichtspektrum strahlender Laser oder auch ein Ultraviolettlaser sein. Die Leistung des Lasers ist so bemessen, dass auch ein flächenhaft ausgedehntes Interferenzmuster mit mehreren Quadratmillimetern, vorzugsweise mehreren Quadratzentimetern Fläche beim Auftreffen des Interferenzmusters eine entsprechende Materialverdampfung auf der zu beschichtenden Fläche und somit eine Strukturierung derselben erreicht. Der Laser ist vorzugsweise ein Ultrakurzpulslaser und weist vorzugsweise eine Impulslänge im Femto-, Pico-, Nano- oder Mikrosekundenbereich auf. Das Interferenzmuster wird somit in kürzester Zeit, zum Beispiel wenigen Femto-, Pico-, Nano- oder Mikrosekunden in die Fläche eingebrannt, indem der Werkstoff des so aufzurauenden Werkstücks oberflächlich entsprechend dem Interferenzmuster verdampft wird, ohne ein Schmelzbad auszubilden. Der Laser kann ein CO₂-Laser, ein Festkörperlaser, z.B. ein Faserlaser oder jeder andere zur Erzeugung von kurzen, leistungsstarken Laserpulsen geeigneter Laser sein. Die Wellenlänge des Lichts liegt vorzugsweise im Infrarotbereich und kann je nach Bauart z.B. bei 10,6 µm, 1,03 µm oder 1,565 µm liegen. Insbesondere werden durch die Laserinterferenzstrukturierung (DLIP) Strukturen mit definierter geometrischer Form, z.B. Rippenform, Kegelform, Pyramidenform oder dergleichen erzeugt. Diesen Formen kann ein stochastischer Formanteil überlagert sein, der auf lokal unterschiedliche Gefüge, Reflexionsverhalten, Schwankungen in der Prozessführung oder dergleichen verursacht ist.The interference pattern can be generated, for example, by superimposing light beams, for example, by means of beam splitters from a Gemeinsa men coherent light source, such as a correspondingly powerful laser have been derived. The laser can be an infrared laser, a laser that radiates in the visible light spectrum, or an ultraviolet laser. The power of the laser is dimensioned such that even an extensive interference pattern with a surface area of several square millimeters, preferably several square centimeters, achieves a corresponding evaporation of material on the surface to be coated and thus a structuring of the same when the interference pattern hits it. The laser is preferably an ultrashort pulse laser and preferably has a pulse length in the femto, pico, nano or microsecond range. The interference pattern is thus burned into the surface in a very short time, for example a few femto, pico, nano or microseconds, by the material of the workpiece to be roughened being vaporized on the surface according to the interference pattern without forming a molten pool. The laser can be a CO ₂ laser, a solid-state laser, eg a fiber laser or any other laser suitable for generating short, powerful laser pulses. The wavelength of the light is preferably in the infrared range and can be, for example, 10.6 μm, 1.03 μm or 1.565 μm, depending on the design. In particular, laser interference structuring (DLIP) produces structures with a defined geometric shape, eg rib shape, cone shape, pyramid shape or the like. A stochastic shape component can be superimposed on these shapes, which is caused by locally different structures, reflection behavior, fluctuations in the process control or the like.

Der so erzeugte Materialabtrag führt zu einer Aufrauung der zu beschichtenden Fläche durch Strukturierung, sodass nachfolgend mittels eines Sprühstrahls aufgebrachte flüssige Metallpartikel (Tröpfchen) sich mechanisch mit der strukturierten Fläche verkrallen können, sodass eine verbesserte Haftung auftritt. Die Größe der Tröpfchen liegt dabei vorzugsweise im Bereich von 0,2 µm bis 50 µm, bevorzugt zwischen 0,5 µm und 10µm. Die durchschnittliche Tröpfchengröße stimmt vorzugsweise mit der Strukturtiefe überein. Es ist auch möglich, dass die durchschnittliche Tröpfchengröße bis zu fünfmal, falls gewünscht auch bis zu zehnmal größer ist als die Strukturtiefe. Der Sprühstrahl enthält flüssige Metalltröpfchen. Dies schließt nicht aus, dass zumindest einige, z.B. die kleinsten der Metalltröpfchen beim Auftreffen auf die Fläche schon teilweise oder auch ganz erstarrt sind.The material removal produced in this way leads to a roughening of the surface to be coated through structuring, so that liquid metal particles (droplets) subsequently applied by means of a spray jet can mechanically dig into the structured surface, so that improved adhesion occurs. The size of the droplets is preferably in the range from 0.2 μm to 50 μm, preferably between 0.5 μm and 10 μm. The average droplet size preferably corresponds to the structure depth. It is also possible that the average droplet size is up to five times, if desired up to ten times larger than the structure depth. The spray jet contains liquid metal droplets. This does not rule out the possibility that at least some, e.g. the smallest of the metal droplets have already partially or completely solidified when they hit the surface.

Vorzugsweise ist der Sprühstrahl ein Transportgasstrahl mit den im Transportgas verteilten Tröpfchen aus flüssigem Metall. Zur Erzeugung der Tröpfchen können ein oder mehrere Drähte aus Metall einem Lichtbogen zugeführt und durch dessen Hitze kontinuierlich abgeschmolzen werden. Der Lichtbogen kann zwischen zwei oder mehreren Drähten oder zwischen einem Draht und einer nicht abschmelzenden Elektrode unterhalten werden. Die Temperatur des flüssigen Metalls in und am Lichtbogen kann bis zu 2500°C betragen. Die Spannung des Lichtbogens liegt vorzugsweise zwischen 30 V und 45 V, die Stromstärke im Bereich von 150 A bis 300 A und der Drahtvorschub liegt vorzugsweise zwischen 4 m/min und 8 m/min.The spray jet is preferably a transport gas jet with the liquid metal droplets distributed in the transport gas. To produce the droplets, one or more metal wires can be fed into an arc and continuously melted by its heat. The arc can be maintained between two or more wires or between a wire and a non-consumable electrode. The temperature of the liquid metal in and on the arc can be up to 2500°C. The voltage of the arc is preferably between 30 V and 45 V, the current in the range of 150 A to 300 A and the wire feed is preferably between 4 m/min and 8 m/min.

Als Transportgas kann Stickstoff zum Einsatz kommen. Bei der Zuführung zum Lichtbogen-Drahtbrenner hat der Stickstoff vorzugsweise eine Temperatur zwischen 10°C und 30°C, insbesondere Raumtemperatur. Vorzugsweise wird das Transportgas in einen Primärgasstrom und einen Sekundärgasstrom aufgeteilt. Der Primärgasstrom wird so zugeführt, dass er die geschmolzenen Metall-Tröpfchen aufnimmt und beschleunigt. Der Sekundärgasstrom wird so zugeführt, dass er den Primärgasstrom umgibt und diesen fokussiert. Der Primärgasstrom kann z.B. einen Volumenstrom von 600 l/min bis 1800 l/min, vorzugsweise 1200 l/min aufweisen. Der Sekundärgasstrom kann z.B. einen Volumenstrom von 300 l/min bis 900 l/min, vorzugsweise 600 l/min aufweisen.Nitrogen can be used as the transport gas. When fed to the wire arc torch, the nitrogen preferably has a temperature between 10° C. and 30° C., in particular room temperature. The transport gas is preferably divided into a primary gas stream and a secondary gas stream. The primary gas stream is fed in such a way that it picks up and accelerates the molten metal droplets. The secondary gas flow is supplied in such a way that it surrounds and focuses the primary gas flow. The primary gas flow can, for example, have a volume flow of 600 l/min to 1800 l/min, preferably 1200 l/min. The secondary gas flow can, for example, have a volume flow of 300 l/min to 900 l/min, preferably 600 l/min.

Das erfindungsgemäße Beschichtungsverfahren eignet sich insbesondere zum Anbringen von Schichten aus Stahl, z.B. Edelstahl, oder einem Nickelbasismaterial auf Bauteile aus Aluminium, einem Eisenwerkstoff, wie beispielsweise Gusseisen, oder Bauteilen aus Schmiedeeisen, Blech aus Eisen, aus Aluminium oder aus einem anderen Metall. Jedoch eignet sich das Verfahren auch zum Aufbringen von Beschichtungen aus Stahl, Edelstahl, Nickelbasiswerkstoff oder anderen korrosionsfesten und/oder abriebfesten Materialen auf anderen Grundwerkstoffen, wie beispielsweise Nichtmetallen, wie z.B. Keramik. Sofern das Beschichtungsmaterial in Drahtform bereitgestellt und zur Erzeugung des Sprühstrahls ein Lichtbogen-Drahtbrenner verwendet wird, kann der Draht aus einem einheitlichen Material oder auch aus mehreren Materialien bestehen. Beispielsweise kann der Draht nach Art eines gefüllten Röhrchens ausgebildet sein. Der Draht kann mit einem Füllwerkstoff gefüllt sein. Der Füllwerkstoff kann ein Pulver, z.B. aus Wolframkarbid, Molybdän, Titan, Keramikpartikeln oder ähnliches sein. Das Pulver kann durch ein Bindemittel gebunden sein. Bei der Anwendung von Lichtbogen-Drahtbrennern mit zwei oder mehreren Drähten können Drähte aus gleichen oder aus unterschiedlichen Materialien eingesetzt werden. Z.B. können bei einem Zweidrahtbrenner die beiden Drähte aus Eisenlegierungen mit unterschiedlichen Legierungsbestandteilen oder Zusätzen bestehen. Beim Aufschmelzen der beiden Drähte vermischen sich deren Bestandteile, wodurch ein Beschichtungswerkstoff mit einer neuen Legierungszusammensetzung entsteht. So können aus u.U. am Markt leicht verfügbaren Drähten Beschichtungswerkstoffe erzeugt werden, für die am Markt keine entsprechenden Spritzdrähte verfügbar sind.The coating method according to the invention is particularly suitable for applying layers of steel, eg stainless steel, or a nickel-based material to components made of aluminum, a ferrous material such as cast iron, or components made of wrought iron, iron sheet, aluminum or another metal. However, the method is also suitable for applying coatings made of steel, stainless steel, nickel-based material or other corrosion-resistant and/or abrasion-resistant materials on other base materials, such as non-metals such as ceramics. Where the coating material is provided in wire form and a wire arc torch is used to generate the spray, the wire may be a single material or multiple materials. For example, the wire can be designed in the manner of a filled tube. The wire can be filled with a filler material. The filler material can be a powder, for example made of tungsten carbide, molybdenum, titanium, ceramic particles or the like. The powder can be bound by a binder. When using wire arc torches with two or more wires, wires made of the same or different materials can be used. For example, in the case of a two-wire burner, the two wires can consist of iron alloys with different alloy components or additives. When the two wires are melted, their components mix, resulting in a coating material with a new alloy composition is created. In this way, coating materials can be produced from wires that are easily available on the market, for which there are no corresponding spray wires available on the market.

Bei dem zu beschichtenden Bauteil kann es sich um Bremsscheiben, Kolben, Zylinderlaufbahnen, Wellen, Lagerschalen, Kupplungslamellen, Lagerbauteile, Schiffsschrauben oder andere Bauteile handeln. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kommt es zur verbesserten Adhäsion zwischen der aufgespritzten Metallschicht, z.B. Nickel- oder Stahlschicht und einem Grundwerkstoff, wie zum Beispiel Grauguss. Es kann auch zum lokalen Verschweißen zwischen der aufgespritzten Schicht und dem Grundwerkstoff kommen, wobei jedoch der Wärmeeintrag in das Bauteil gering ist.The component to be coated can be brake discs, pistons, cylinder barrels, shafts, bearing shells, clutch plates, bearing components, ship propellers or other components. With the method according to the invention, there is improved adhesion between the sprayed-on metal layer, e.g. nickel or steel layer, and a base material, such as gray cast iron. Local welding can also occur between the sprayed layer and the base material, although the heat input into the component is low.

Der Materialabtrag von der zu beschichtenden Fläche, der durch die Projektion des Interferenzmusters auf die Fläche bei entsprechender Laserleistung erzeugt wird, ist vorzugsweise periodisch strukturiert. Dies bedeutet, dass periodische Interferenzmuster erzeugt werden, beispielsweise parallele Linien, Punkte oder sich kreuzende Linien oder dergleichen. Die Periode der so erzeugten Strukturierung ist vorzugsweise deutlich geringer als die Dicke der aufzubringenden Schicht. Auch ist die Tiefe der Strukturierung, d.h. deren Wellenhöhe gemessen in Normalenrichtung der Fläche, deutlich geringer als die in gleicher Richtung gemessene Dicke der Schicht. Deswegen bewirkt die Aufrauung bzw. Strukturierung der Fläche zwar die gewünschte Haftungsverbesserung der Schicht, jedoch ohne eine relevante Dickenvariation derselben zu erzeugen. Damit wird auch und eine lokale Veränderung der mechanischen Eigenschaften der Schicht vermieden.The removal of material from the surface to be coated, which is generated by the projection of the interference pattern onto the surface with a corresponding laser power, is preferably structured periodically. This means that periodic interference patterns are generated, for example parallel lines, dots or crossing lines or the like. The period of the structure produced in this way is preferably significantly less than the thickness of the layer to be applied. The depth of the structure, i.e. its wave height measured in the direction normal to the surface, is also significantly less than the thickness of the layer measured in the same direction. For this reason, the roughening or structuring of the surface brings about the desired improvement in adhesion of the layer, but without producing a relevant variation in thickness of the same. This also avoids a local change in the mechanical properties of the layer.

Das Interferenzmuster kann aus zwei oder mehreren Lichtbündeln erzeugt werden, die im Wesentlichen senkrecht oder unter einem Winkel auf die Fläche auftreffen und somit schräg gestellt sind. Dadurch können an einem Werkstück regelmäßige Mikrovertiefungen mit einer Vorzugsrichtung erzeug werden. Dies kann dazu genutzt werden, die Scherfestigkeit zwischen der aufzubringenden Schicht und der beschichteten Fläche des Bauteils in einer bevorzugten Belastungsrichtung zu erhöhen. Damit können großen Scherbelastungen ausgesetzte Schichten, wie beispielsweise Beschichtungen von Bremsscheiben oder auch anderen Bauteilen mit einer asymmetrischen Scherbelastung, wirksam an dem Grundkörper des jeweiligen Bauteils (z.B. Bremsscheibe, Lagerschalte, Kupplungslamelle, Schiffsschraube) verankert werden.The interference pattern can be generated from two or more light beams which impinge on the surface essentially perpendicularly or at an angle and are therefore positioned at an angle. As a result, regular micro-indentations with a preferred direction can be produced on a workpiece. This can be used to increase the shear strength between the layer to be applied and the coated surface of the component in a preferred direction of loading. In this way, layers exposed to high shear loads, such as coatings on brake discs or other components with an asymmetrical shear load, can be effectively anchored to the base body of the respective component (e.g. brake disc, bearing shifter, clutch plate, ship's propeller).

Zur Beschichtung der vorbehandelten Fläche wird vorzugsweise ein Verfahren genutzt, bei dem von einem Gasstrahl getragene teilweise oder ganz verflüssigte Metalltröpfchen auf die behandelte Oberfläche auftreffen. Solche Verfahren sind zum Beispiel Eindraht-Lichtbogenbeschichtungsverfahren, Zweidraht-Lichtbogenbeschichtungsverfahren, Flammenspritzverfahren oder dergleichen.To coat the pretreated surface, a method is preferably used in which partially or completely liquefied metal droplets carried by a gas jet impinge on the treated surface. Such methods are, for example, single-wire arc coating methods, two-wire arc coating methods, flame spraying methods, or the like.

Die beschriebenen, mit dem Verfahren in Verbindung stehenden Vorzüge treffen in gleichem Maße auf das beanspruchte Bauteil zu. Die regelmäßig, vorzugsweise periodisch, strukturierte mikroraue Fläche ist insbesondere eine laserinterferenzstrukturierte Fläche. Vorzugsweise ist die Periode der periodischen Struktur etwa so groß, wie die Größe der in der aufgelagerten Schicht erkennbaren erstarrten Tröpfchen oder sogar etwas kleiner als diese. In diesem Zusammenhang ist unter der Größe der erstarrten Tröpfchen die parallel zu der Fläche zu messende Ausdehnung der erstarrten Tröpfchen zu verstehen.The advantages described, associated with the method, apply to the claimed component to the same extent. The regularly, preferably periodically, structured microrough surface is in particular a laser interference structured surface. Preferably, the period of the periodic structure is about as large as, or even slightly smaller than, the size of the solidified droplets discernible in the layer deposited. In this context, the size of the solidified droplets is to be understood as meaning the extension of the solidified droplets to be measured parallel to the surface.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine Anlage, die eine Vorrichtung zur Laserinterferenzstrukturierung einer Werkstückoberfläche und eine weitere Vorrichtung zur nachfolgenden Beschichtung dieser Werkstückoberfläche mit einer Metallschicht z.B. im Lichtbogen-Drahtspritzverfahren umfasst.The invention also relates to a system that includes a device for laser interference structuring of a workpiece surface and a further device for the subsequent coating of this workpiece surface with a metal layer, e.g. using the arc wire spraying method.

In der Zeichnung sind Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:

1 Die Erzeugung einer Mikrostrukturierung einer Fläche eines Bauteils mittels Laserinterferenzstrukturierung, in schematisierter Darstellung,
2 das Aufbringen einer Beschichtung auf die strukturierte Fläche mittels Drahtspritzens, in schematisierter Darstellung,
3 und 4 die mikrostrukturierte Fläche eines Bauteils nach 1 und 2,
5 einen Schnitt durch die aufgebrachte Schicht eines Bauteils und die mikrostrukturierte darunter liegende Fläche, in schematisierter Veranschaulichung,
6 den Sprühstrahl mit Metalltröpfchen beim Auftreffen auf eine mikrostrukturierte Fläche,
7 und 8 schematische Darstellungen von Drahtspritzverfahren,
9 eine Bremsscheibe mit einer darauf aufgebrachten teilweise weggenommenen Schicht sowie die darunterliegende strukturierte Fläche, in verschiedenen Varianten,
10 eine mittels Laserinterferenzstrukturierung geformte Fläche in schematisierter Schnittdarstellung,
11 die beschichtete Fläche nach 10, in schematisierter Schnittdarstellung, und
12 eine Schiffsschraube mit einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgebrachten Schicht.

Embodiments of the invention are illustrated in the drawing. Show it:

1 The generation of a microstructuring of a surface of a component using laser interference structuring, in a schematic representation,
2 the application of a coating to the structured surface by means of wire spraying, in a schematic representation,
3 and 4 the microstructured surface of a component 1 and 2 ,
5 a section through the applied layer of a component and the microstructured surface underneath, in a schematic illustration,
6 the spray jet with metal droplets when hitting a microstructured surface,
7 and 8th schematic representations of wire spraying processes,
9 a brake disc with a partially removed layer applied to it and the underlying structured surface, in different variants,
10 a surface formed by means of laser interference structuring in a schematic sectional view,
11 the coated surface 10 , in a schematic sectional representation, and
12 a ship's propeller with a layer applied by the method according to the invention.

1 veranschaulicht schematisch ein Bauteil 10 bei der Vorbereitung zur Aufbringung einer Schicht. Das Bauteil 10 kann irgendein Maschinenteil wie beispielsweise ein Zahnrad, eine Kupplungslamelle, ein Klemmbacken, eine Bremsscheibe, ein Lagerelement oder dergleichen sein. In 1 ist es lediglich symbolhaft als Quader symbolisiert. Es kann jedoch jede andere gewünschte Form aufweisen, siehe z.B. 8 oder 12. Es kann außerdem aus einem Eisenmetall, beispielsweise Blech, insbesondere Tiefziehblech, schmiedbarem Eisen, Gusseisen oder dergleichen, insbesondere aber auch einem Nichteisenmetall, wie bspw. Leichtmetall, oder einem Nichtmetall, wie z.B. Keramik bestehen. Jedenfalls aber weist es eine zu beschichtende Fläche 11 auf, die, wie dargestellt, eine ebene Fläche sein kann. Bei der Fläche 11 kann es sich jedoch auch um anderweitig geformte Flächen, wie zum Beispiel die zylindrische Innenfläche einer Bohrungswandung, eine zylindrische Außenfläche zum Beispiel einer Welle oder eines Zapfens, sphärisch gewölbte Innen- oder Außenflächen oder auch mehrfach gekrümmte Flächen, wie z.B. Strömungsflächen oder dergleichen mehr handeln. 1 FIG. 1 schematically illustrates a component 10 in preparation for the application of a layer. Component 10 may be any machine part such as a gear, clutch plate, jaw, brake disc, bearing member or the like. In 1 it is only symbolically symbolized as a cuboid. However, it can have any other desired shape, see e.g 8th or 12 . It can also consist of a ferrous metal, for example sheet metal, in particular deep-drawn sheet metal, forgeable iron, cast iron or the like, but in particular also a non-ferrous metal such as light metal or a non-metal such as ceramics. In any case, however, it has a surface 11 to be coated, which, as shown, can be a flat surface. However, the surface 11 can also be surfaces of other shapes, such as the cylindrical inner surface of a bore wall, a cylindrical outer surface, for example a shaft or a journal, spherically curved inner or outer surfaces or multiple curved surfaces, such as flow surfaces or act like that more.

Die Fläche 11 wird zur Vorbereitung der Beschichtung typischerweise gereinigt, sodass sie metallisch blank ist. Außerdem kann die Fläche 11 auch mechanisch, insbesondere spanhebend bearbeitet werden, z.B. um der Fläche eine gewünschte Form zu geben.Surface 11 is typically cleaned to a bare metal finish in preparation for coating. In addition, the surface 11 can also be processed mechanically, in particular by machining, e.g. in order to give the surface a desired shape.

Danach wird zur Durchführung eines ersten Verfahrensschritts des erfindungsgemäßen Verfahrens die Fläche 11 für eine spätere Beschichtung im Metallspritzverfahren vorbereitet. Dazu wird mittels zweier oder mehrerer Lichtbündel 12, 13 auf der Fläche 11 ein Interferenzmuster 14 erzeugt, das der gewünschten Strukturierung der Fläche 11 entspricht. Die Lichtbündel 12, 13 sind beispielsweise mittels Strahlteiler von einem gepulsten Laser oder einer anderen kohärenten leistungsstarken gepulsten Lichtquelle abgeleitet und überlagern sich unter Ausbildung des Interferenzmusters 14. In 1 ist dieses der Einfachheit wegen als Linienmuster dargestellt. Ebenso sind die Wellenfronten 15, 16 der beiden Lichtbündel 12, 13 in 1 schematisch veranschaulicht. Das Interferenzmuster kann ein Linienmuster oder ein anderweitiges Interferenzmuster sein. Vorzugswiese handelt es sich dabei jedoch um ein regelmäßiges Interferenzmuster mit einer Wellenlänge von wenigen 10teln, 100steln oder vorzugsweise wenigen 1000stel Millimetern. Das Interferenzmuster ist vorzugsweise periodisch mit einer Periode P (siehe z.B. 3).Then, in order to carry out a first method step of the method according to the invention, the surface 11 is prepared for a later coating using the metal spraying method. For this purpose, an interference pattern 14 is generated on the surface 11 by means of two or more light bundles 12, 13, which corresponds to the desired structuring of the surface 11. The light beams 12, 13 are derived, for example, by means of a beam splitter from a pulsed laser or another coherent, powerful, pulsed light source and are superimposed, forming the interference pattern 14. In 1 this is shown as a line pattern for the sake of simplicity. Likewise, the wavefronts 15, 16 of the two light beams 12, 13 in 1 schematically illustrated. The interference pattern can be a line pattern or some other type of interference pattern. However, this is preferably a regular interference pattern with a wavelength of a few 10ths, 100ths or preferably a few 1000ths of a millimeter. The interference pattern is preferably periodic with a period P (see e.g 3 ).

Während der Projektion des Interferenzmusters 14 auf die Fläche 11 ruht das Interferenzmuster 14 auf der Fläche 11 und wird vorzugsweise relativ zu dieser nicht bewegt. Das Interferenzmuster 14 wird vorzugsweise nur kurzzeitig, zum Beispiel wenige Nanosekunden oder Mikrosekunden mit so großer Leistung auf die Oberfläche 11 projiziert, dass die hellen Teile des Interferenzmusters Material von der Fläche 11 verdampfen und abtragen während die dunklen Teile des Interferenzmusters 14 das Material der Fläche 11 wenig oder nicht beeinflussen. Damit brennt sich das Interferenzmuster 14 binnen kürzester Zeit in die Oberfläche 11 ein und erzeugt eine Oberflächenstruktur wie es die 3 und 4 exemplarisch veranschaulichen.During the projection of the interference pattern 14 onto the surface 11, the interference pattern 14 rests on the surface 11 and is preferably not moved relative to it. The interference pattern 14 is preferably only briefly projected onto the surface 11, for example a few nanoseconds or microseconds, with such great power that the bright parts of the interference pattern evaporate and remove material from the surface 11, while the dark parts of the interference pattern 14 remove the material from the surface 11 little or no influence. Thus, the interference pattern 14 burns into the surface 11 within a very short time and produces a surface structure like that 3 and 4 illustrate with an example.

Zur Erzeugung der Oberflächenstruktur durch Laserinterferenzstrukturierung kann auch ein Laserkopf genutzt werden, der während des gesamten Prozesses relativ zu dem Werkstück bewegt wird, während in Zeitabständen wiederkehrend Interferenzmuster 14 auf die Oberfläche 11 projiziert werden. Dies erfolgt in einem sehr kurzen leistungsstarken Laserblitz, der so kurz ist, dass der während der Dauer des Laserblitzes von dem Interferenzmuster 14 auf der Oberfläche 11 zurückgelegte Weg kleiner, vorzugsweise deutlich kleiner ist, als die Periode P des Interferenzmusters.To produce the surface structure by laser interference structuring, a laser head can also be used, which is moved relative to the workpiece throughout the entire process, while interference patterns 14 are projected onto the surface 11 recurringly at time intervals. This takes place in a very short, powerful laser flash, which is so short that the path covered by the interference pattern 14 on the surface 11 during the duration of the laser flash is smaller, preferably significantly smaller, than the period P of the interference pattern.

Die auf der Fläche 11 erzeugte Oberflächenstruktur nimmt mindestens einige Quadratmillimeter vorzugsweise jedoch eine Fläche von mehreren Quadratzentimetern ein. Sollte die Fläche 11 größer sein als das Interferenzmuster 14, können das Bauteil 10 und die Apparatur zur Erzeugung des Interferenzmusters nach 1 relativ zueinander in eine nächste Position überführt werden. In dieser wird wiederum das Interferenzmuster 14 an anderer Stelle auf die Fläche 11 gebrannt. Dabei können die nacheinander projizierten Interferenzmuster überlappen oder nahtlos aneinander anschließen. Auf diese Weise lassen sich Schritt für Schritt große Flächen des Bauteils 10 laserstrukturieren.The surface structure produced on the surface 11 occupies at least a few square millimeters, but preferably an area of several square centimeters. Should the area 11 be larger than the interference pattern 14, the component 10 and the apparatus for generating the interference pattern can 1 be transferred relative to each other in a next position. In this, in turn, the interference pattern 14 is burned onto the surface 11 at a different location. The interference patterns projected one after the other can overlap or follow one another seamlessly. In this way, large areas of the component 10 can be laser structured step by step.

In einem zweiten zu dem erfindungsgemäßen Verfahren gehörigen Verfahrensschritt wird auf die insoweit strukturierte Fläche 11, wie es 2 veranschaulicht, eine Schicht 17 aufgetragen. Diese Schicht 17 ist vorzugsweise eine aus Stahl, Edelstahl, Nickel, eine Nickelbasislegierung oder einem anderen verschleißfesten und/oder korrosionsfesten Werkstoff bestehende Schicht. Sie wird vorzugsweise im Lichtbogendrahtspritzverfahren oder aber in einem anderen Metallspritzverfahren aufgebracht. Bei diesem Verfahren werden geschmolzene Metalltropfen mit einem zu der Fläche 11 gerichteten Impuls versehen und treffen zumindest teilweise flüssig auf die Fläche auf.In a second process step belonging to the process according to the invention, the surface 11 structured in this respect, as it is 2 illustrated, a layer 17 is applied. This layer 17 is preferably a layer made of steel, stainless steel, nickel, a nickel-based alloy or another wear-resistant and/or corrosion-resistant material. It is preferably applied using the arc wire spraying process or another metal spraying process. In this method molten metal droplets are provided with an impulse directed towards the surface 11 and impinge on the surface at least partially in liquid form.

In 2 ist ein entsprechender Drahtspritzkopf 18 lediglich schematisch veranschaulicht. Er sendet einen Sprühstrahl 19 auf die vorbereitete Fläche 11, auf der sich in dem Sprühstrahl 19 enthaltene Tröpfchen 20 aus wenigstens an der Oberfläche flüssigen Metall auf der Fläche 11 niederschlagen. Die Tröpfchen 20 können je nach Schmelztemperatur des zur Beschichtung verwendeten Metalls eine Temperatur von mehreren 100 °C oder auch von über 1000°C haben. 6 zeigt diesen Prozess schematisch. Die Tröpfchen 20 haben eine mittlere Größe DP, die vorzugsweise größer ist, als die Strukturtiefe T und oder größer als die Wellenlänge P der in dem ersten Verfahrensschritt mittels Laserinterferenzstrukturierung erzeugten Oberflächenstruktur, bspw. Gemäß 3 oder 4. Die mittlere Größe DP ist bei kugelförmigen Tröpfchen 20 der arithmetische Mittelwert der verschiedenen Durchmesser der Tröpfchen 20. Bei nichtkugelförmigen Tröpfchen 20 ist die mittlere Größe DP der arithmetische Mittelwert der verschiedenen Durchmesser von gedachten Kugeln, deren Volumen mit den nichtkugelförmigen Tröpfchen identisch ist.In 2 a corresponding wire spray head 18 is illustrated only schematically. He sends a spray jet 19 onto the prepared surface 11, on which droplets 20 contained in the spray jet 19 of at least liquid metal on the surface are deposited on the surface 11. Depending on the melting temperature of the metal used for the coating, the droplets 20 can have a temperature of several 100° C. or of more than 1000° C. 6 shows this process schematically. The droplets 20 have an average size DP, which is preferably greater than the structure depth T and/or greater than the wavelength P of the surface structure produced in the first method step by means of laser interference structuring, for example according to FIG 3 or 4 . For spherical droplets 20, the mean size DP is the arithmetic mean of the different diameters of the droplets 20. For non-spherical droplets 20, the mean size DP is the arithmetic mean of the different diameters of imaginary spheres whose volume is identical to the non-spherical droplets.

Durch das Auflagern der anfliegenden Tröpfchen 20 auf der strukturierten Fläche 11 bildet sich der in 5 veranschaulichte Aufbau mit der Schicht 17. Die Schicht 17 ist aus den miteinander verschmolzenen oder verbackenen inzwischen erstarrten Tröpfchen 20 aufgebaut, die auf der strukturierten Fläche 11 aufgelagert und mit dieser verkrallt sind. Die Dicke D der so entstandenen Schicht ist dabei vorzugsweise deutlich größer als die Strukturtautiefe T der laserstrukturierten Zone der Fläche 11. Die Dicke D wird in Richtung der Flächennormalen der Fläche 11 gemessen. Die Strukturtiefe T entspricht der Wellenhöhe der eindimensionalen Welle nach 3 oder des mehrdimensionalen Wellenmusters nach 4. Zusätzlich können die Wellen nach 3 und 4 eine dort nicht veranschaulichte Feinstruktur aufweisen, das heißt selbst eine raue Oberfläche aufweisen.The in 5 illustrated structure with the layer 17. The layer 17 is made up of the droplets 20 which have melted or baked together and which have meanwhile solidified, which are deposited on the structured surface 11 and claw with it. The thickness D of the layer produced in this way is preferably significantly greater than the structure dew depth T of the laser-structured zone of the surface 11. The thickness D is measured in the direction of the surface normal of the surface 11. The structure depth T corresponds to the wave height of the one-dimensional wave 3 or the multidimensional wave pattern 4 . In addition, the waves after 3 and 4 have a fine structure not illustrated there, ie have a rough surface themselves.

Die 3 und 4 zeigen Beispiele für die Struktur der Fläche 11 nach dem Laserstrukturierprozess. In 2 ist eine linienförmige Strukturierung veranschaulicht, die auf einem linienförmigen Interferenzmuster beruht, wie es insbesondere mit zwei Lichtbündeln 12, 13 erzeugt werden kann. Das Ellenmuster kann als eindimensionale Welle angesehen werden. 4 veranschaulicht eine Oberflächenstruktur, wie sie mittels mehrerer beispielsweise 3 oder 4 miteinander interferierenden Lichtbündeln erzeugt werden kann. Die Struktur kann als zwei- oder mehrdimensionale Welle angesehen werden.The 3 and 4 show examples of the structure of the surface 11 after the laser structuring process. In 2 a line-shaped structure is illustrated, which is based on a line-shaped interference pattern, as can be generated in particular with two light beams 12, 13. The cubit pattern can be viewed as a one-dimensional wave. 4 FIG. 1 illustrates a surface structure that can be generated by means of a plurality of, for example, 3 or 4 light beams interfering with one another. The structure can be viewed as a two or more dimensional wave.

Bei den Wellenmustern nach 3 und 4 wird zunächst davon ausgegangen, dass die Lichtbündel 12, 13 insgesamt im Wesentlichen symmetrisch zur Flächennormalen N der Fläche 14 auftreffen. Deswegen sind die entstandenen räumlichen Strukturen der Oberfläche 11 auch symmetrisch zur Flächennormalen N.At the wave patterns after 3 and 4 it is initially assumed that the light bundles 12 , 13 impinge overall essentially symmetrically to the surface normal N of the surface 14 . Therefore, the resulting spatial structures of the surface 11 are also symmetrical to the surface normal N.

Der Drahtspritzkopf 18 kann wie erwähnt ein Eindrahtbrenner 21 sein, wie er beispielhaft und ganz schematisch in 7 veranschaulicht ist. Der Eindrahtbrenner 21 weist einen aus einem Vorrat herangeführten Draht 22 auf, der mittels eines Drahtvorschubs 23 zu einer Gegenelektrode 24 geführt wird. Zwischen der Gegenelektrode 24 und dem freien Ende des Drahts 22 liegt eine von einer Stromquelle 25 gelieferte Spannung an, wodurch zwischen dem Draht 22 und der Gegenelektrode 24 ein Lichtbogen 26 entsteht. Mittels eines von einer Gasquelle 27 herrührenden Gasstrahls 28 werden die von dem mit dem Lichtbogen 26 in Berührung stehenden Ende des Drahts 25 abgehenden flüssigen Tröpfchen 20 als Sprühstrahl 19 aus dem Eindrahtbrenner 21 ausgegeben und auf das Werkstück 10 mit seiner Fläche 11 geleitet.As mentioned, the wire spray head 18 can be a single-wire torch 21, as is shown, for example and very schematically, in 7 is illustrated. The single-wire torch 21 has a wire 22 supplied from a supply, which is guided to a counter-electrode 24 by means of a wire feeder 23 . A voltage supplied by a power source 25 is present between the counter-electrode 24 and the free end of the wire 22 , as a result of which an arc 26 is produced between the wire 22 and the counter-electrode 24 . The liquid droplets 20 emerging from the end of the wire 25 in contact with the arc 26 are emitted as a spray jet 19 from the single-wire torch 21 by means of a gas jet 28 originating from a gas source 27 and directed onto the workpiece 10 with its surface 11 .

Die Gasquelle kann eine Quelle für ein Inertgas, wie Stickstoff oder Argon, oder auch eine Quelle für ein Aktivgas, wie z.B. Kohlenstoffdioxid oder Luft, sein. Die Gasquelle ist darauf eingerichtet, einen Gasstrom 28 zu erzeugen, der von dem Draht 22 abschmelzende Tröpfchen aufnimmt, gegebenenfalls zerstäubt und beschleunigt, d.h. ihnen einen gerichteten Impuls verleiht.The gas source can be a source of an inert gas such as nitrogen or argon, or it can be a source of an active gas such as carbon dioxide or air. The gas source is set up to generate a gas stream 28, which takes up melting droplets from the wire 22, optionally atomizes them and accelerates them, i.e. gives them a directed impulse.

Anstelle des Eindrahtbrenners 21 kann auch ein Zweidrahtbrenner 29 Anwendung finden, wie er in 8 schematisch veranschaulicht ist. Zur Funktion desselben wird unter Zugrundelegung der bereits eingeführten Bezugszeichen auf die vorige Beschreibung unter Beachtung der folgenden Besonderheiten verwiesen:Instead of the single-wire burner 21, a two-wire burner 29 can also be used, as shown in 8th is illustrated schematically. For the function of the same, based on the reference symbols already introduced, reference is made to the previous description, taking into account the following special features:

Anstelle der Gegenelektrode 24 ist ein zweiter Draht 22a vorgesehen, der über einen zweiten Vorschub 23a zu dem ersten Draht 22 geschoben wird. Der Lichtbogen 26 brennt zwischen dem freien Ende der beiden Drähte 22, 22a.Instead of the counter-electrode 24, a second wire 22a is provided, which is pushed to the first wire 22 via a second feed 23a. The arc 26 burns between the free end of the two wires 22, 22a.

Das Bauteil 10 kann wie erwähnt zum Beispiel eine Bremsscheibe sein, wie sie in 9 veranschaulicht ist. Die Bremsscheibe kann insbesondere eine Bremsscheibe für lediglich gelegentlichen Einsatz sein, wie er zum Beispiel bei Elektrofahrzeugen zu erwarten ist, die mechanische Bremsscheiben typischerweise nur bei Notbremsungen oder im Stillstand einsetzen und ansonsten die vorhandenen Elektromotoren zur Rekuperation nutzen. Solche Bremsscheiben unterliegen nur geringer Reibwirkung und geringer Abnutzung. Allerdings sind sie durch ihre Position am Rad Korrosionseinflüssen ausgesetzt. Gerade wegen ihres seltenen Gebrauchs müssen sie aber vor Korrosion geschützt werden. Dazu kann der Grundkörper der Bremsscheibe aus einem nicht korrosionsfesten Material wie beispielsweise Eisen, Gusseisen, niedrig legiertem Blech, Stahl oder auch aus einem Leichtmetall bestehen. Die Reibfläche 30, d.h. die beiden ringförmigen Planflächen der Bremsscheibe können hingegen durch eine aufgespritzte Schicht 17 gebildet sein, die einen hohen Korrosionswiderstand aufweist, wie zum Beispiel eine Nickelschicht, eine Edelstahlschicht oder dergleichen. Diese Schicht 17 weist vorzugsweise eine Dicke von einem oder wenigen Millimetern auf. Die aufgebrachte Schicht 17 kann spanend nachbearbeitet sein, um eine formgenaue, ebene Oberfläche herzustellen. Diese formgenaue Oberfläche kann wiederum durch Laserinterferenzstrukturierung mit einer Feinstruktur versehen worden sein, um z.B. das Reibverhalten der erzeugten Oberfläche wie gewünscht einzustellen oder um schmutzabweisende Wirkungen zu erzielen.As mentioned, the component 10 can be, for example, a brake disk, as is shown in 9 is illustrated. The brake disk can in particular be a brake disk for only occasional use, as is to be expected, for example, in electric vehicles which typically only use mechanical brake disks for emergency braking or when stationary and otherwise use the existing electric motors for recuperation. Such brake disks are subject to only a small amount of friction and little wear. However, due to their position on the wheel, they are exposed to the effects of corrosion. Precisely because they are rarely used, however, they must be protected against corrosion. The main body of the brake can do this disc made of a non-corrosive material such as iron, cast iron, low-alloy sheet metal, steel or a light metal. The friction surface 30, ie the two annular planar surfaces of the brake disc, however, can be formed by a sprayed-on layer 17 which has a high corrosion resistance, such as a nickel layer, a stainless steel layer or the like. This layer 17 preferably has a thickness of one or a few millimeters. The applied layer 17 can be post-processed by machining in order to produce a dimensionally accurate, flat surface. This precisely shaped surface can in turn have been provided with a fine structure by laser interference structuring, for example in order to adjust the friction behavior of the surface produced as desired or to achieve dirt-repellent effects.

Die Schicht 17 kann in dem eingangs beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren aufgebracht sein. Zur Veranschaulichung ist die Schicht 17 in 9 links entfernt dargestellt, sodass die Fläche 11 freiliegt. Es können wie dargestellt zur Verankerung der Schicht 17 auf der Fläche 11 verschiedenartige Interferenzmuster 14a, 14b, 14c alternativ genutzt werden. Dazu kann jedes der vorstehend beschriebenen Interferenzmuster genutzt werden. Zum Beispiel kann das Interferenzmuster 14a radial angeordnete Linien bzw. Furchen umfassen. Alternativ können die Linien oder Furchen des Interferenzmusters 14b einer Spirale folgend angelegt sein. Das Interferenzmuster 14c kann auch ein Gittermuster sein wie es beispielswiese auch in 4 veranschaulicht ist.The layer 17 can be applied in the method according to the invention described at the outset. For illustration, layer 17 is in 9 shown removed on the left so that surface 11 is exposed. As shown, different types of interference patterns 14a, 14b, 14c can alternatively be used to anchor the layer 17 on the surface 11. Any of the interference patterns described above can be used for this purpose. For example, the interference pattern 14a may include radially arranged lines or ridges. Alternatively, the lines or furrows of the interference pattern 14b can be laid out following a spiral. The interference pattern 14c can also be a grid pattern, as is also the case, for example, in 4 is illustrated.

Beim Bremsvorgang wird das Bremsmoment in die Schicht 17 eingeleitet und sicher auf den Körper des Bauteils 10 übertragen. Dazu ist es optional möglich, das Interferenzmuster 14, wie in 10 anhand einer strukturierten Fläche 11 veranschaulicht, zur Flächennormalen N asymmetrisch zu gestalten. Dies kann erreicht werden, indem die interferierenden Lichtbündel 12, 13, wie in 10 durch eine ganze Anzahl von Pfeilen 31 dargestellt wird, unter einem Winkel zur Normalen N auf die Fläche 11 zu projizieren. Es entstehen Vertiefungen und Erhebungen, die asymmetrisch zu der Flächennormalen N sind. Wird auf diese Fläche 11, wie es 11 veranschaulicht, die Schicht 17 aufgebracht, kann diese entgegen der Neigungsrichtung der Struktur der Fläche 11 eine erhöhte Scherkraft auf das Bauteil 10, d.h. hier zum Beispiel den Grundkörper der Bremsscheibe übertragen. Damit kann die Bremsscheibe 10 insbesondere darauf eingerichtet sein, das beim Bremsen aus Vorwärtsfahrt auftretende Bremsmoment gut aufzunehmen, indem die Mikrostruktur der Fläche 11 der in 11 veranschaulichten Scherkraft S entgegen gerichtet ist. Die Scherkraft S ergibt sich aus der Übertragung des Bremsmoments zwischen der Schicht 17 und dem Bauteil 10.During the braking process, the braking torque is introduced into the layer 17 and safely transmitted to the body of the component 10. For this it is optionally possible to use the interference pattern 14, as in 10 illustrated by a structured surface 11 to make the surface normal N asymmetrical. This can be achieved by the interfering light beams 12, 13, as in 10 represented by a number of arrows 31, at an angle to the normal N onto the surface 11. Depressions and elevations that are asymmetrical to the surface normal N are created. Will on this face 11 like it 11 Illustrated, the layer 17 is applied, this can transmit an increased shearing force on the component 10, ie here for example the base body of the brake disc, counter to the direction of inclination of the structure of the surface 11. In this way, the brake disk 10 can be set up in particular to absorb the braking torque that occurs when braking from forward travel, in that the microstructure of the surface 11 of the 11 illustrated shearing force S is directed in the opposite direction. The shearing force S results from the transmission of the braking torque between the layer 17 and the component 10.

12 veranschaulicht ein weiteres Beispiel für ein Bauteil 10, diesmal in Gestalt einer Schiffsschraube. Diese kann z.B. aus einem formstabilen Gussmaterial, Z.B. Grauguss bestehen. Der Grundkörper kann nach seinem Guss zunächst mechanisch bearbeitet worden und danach mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens beschichtet worden sein. Die Schiffsschraube weist eine Nabe 32 und davon abstehende als Strömungsflächen dienende Schaufeln 33 - 35 auf. Die Form, die Anzahl und die Größe der Schaufeln 33 - 35 richten sich nach den Erfordernissen des späteren Einsatzes und sind für die zur Erfindung gehörigen Aspekte irrelevant. Relevant aber ist, dass die Schiffsschraube wenigstens an ihren Schaufeln 33 - 35 voll- oder teilflächig, falls gewünscht auch an ihrer Nabe oder an ihrer gesamten Oberfläche mit einer Schicht 17 versehen sein kann, die nach Laserinterferenzstrukturierung der Oberfläche im Metallspritzverfahren mit einer Edelstahlschicht oder einer Schicht aus Nickelbasismaterial aufgebracht worden sein kann. Die aufgebrachte Schicht 17 kann spanend nachbearbeitet sein, um eine formgenaue Oberfläche herzustellen. Diese formgenaue Oberfläche kann wiederum durch Laserinterferenzstrukturierung mit einer Feinstruktur versehen worden sein, um z.B. den Strömungswiderstand der Schaufeln 33 - 35 zu senken und so die Effizienz der Schiffsschraube zu erhöhen. 12 illustrates another example of a component 10, this time in the form of a ship's propeller. This can, for example, consist of a dimensionally stable cast material, eg gray cast iron. After it has been cast, the base body can first have been machined and then coated using the method according to the invention. The ship's propeller has a hub 32 and blades 33-35 projecting therefrom and serving as flow surfaces. The shape, the number and the size of the blades 33 - 35 depend on the requirements of the later use and are irrelevant for the aspects belonging to the invention. What is relevant, however, is that the ship's propeller can be provided with a layer 17 at least on its blades 33 - 35 over the full or partial surface, if desired also on its hub or on its entire surface, which after laser interference structuring of the surface in the metal spraying process with a stainless steel layer or a Layer of nickel base material may have been applied. The applied layer 17 can be post-processed by machining in order to produce a dimensionally accurate surface. This precisely shaped surface can in turn have been provided with a fine structure by means of laser interference structuring, for example in order to reduce the flow resistance of the blades 33-35 and thus increase the efficiency of the ship's propeller.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine Anlage, die einen Laserkopf zur Laserinterferenzstrukturierung der Oberfläche 11 und die weitere Vorrichtung nach 2 oder 7 zur nachfolgenden Beschichtung dieser Oberfläche 11 mit einer Metallschicht z.B. im Lichtbogen-Drahtspritzverfahren umfasst. Der Laserkopf ist dabei zur Erzeugung der Interferenzmuster 14 als Ultrakurzpulslaser mit Impulslängen von Mikro-, Nano-, Pico- oder Femtosekunden mit einer Leistung eingerichtet, die zur sofortigen lokalen Materialverdampfung auf der Oberfläche 11 geeignet ist. Die gesamte vorstehende Beschreibung des Beschichtungsverfahrens und der zur Umsetzung desselben genutzten Komponenten gilt für diese Anlagen entsprechend.The subject matter of the invention is also a system which has a laser head for laser interference structuring of the surface 11 and the further device 2 or 7 for the subsequent coating of this surface 11 with a metal layer, for example in the arc wire spraying process. The laser head is set up to generate the interference pattern 14 as an ultra-short pulse laser with pulse lengths of microseconds, nanoseconds, picoseconds or femtoseconds with a power that is suitable for immediate local material evaporation on the surface 11 . The entire above description of the coating process and the components used to implement it applies accordingly to these systems.

Erfindungsgemäß wird die Verankerung einer im Flammen- oder Drahtspritzverfahren aufgebrachten Schicht, insbesondere Stahlschicht, auf einem Grundkörper, zum Beispiel dem Bauteil 10 nach Vorbehandlung der zu beschichtenden Fläche 11 veranschaulicht. Die Vorbehandlung dient der Strukturierung der Schicht 11 und wird im Laserstrukturierungsverfahren (DLIP) durchgeführt. Es ergibt sich eine gleichmäßige und gute Verankerung der Schicht 17, die hochbelastbar ist und gleichmäßige mechanische Eigenschaften aufweist.According to the invention, the anchoring of a layer, in particular a steel layer, applied using a flame or wire spraying process is illustrated on a base body, for example the component 10 after the surface 11 to be coated has been pretreated. The pretreatment serves to structure the layer 11 and is carried out using the laser structuring process (DLIP). The result is a uniform and good anchoring of the layer 17, which is highly resilient and has uniform mechanical properties.

BezugszeichenlisteReference List

1010: Bauteilcomponent
1111: FlächeSurface
12, 1312, 13: Lichtbündellight beam
14, a-c14, a-c: Interferenzmusterinterference pattern
15, 1615, 16: Wellenfrontenwavefronts
1717: Schichtlayer
1818: Drahtspritzkopfwire die head
1919: Sprühstrahlspray jet
2020: Partikel / Tröpfchenparticles / droplets
TT: Strukturtiefestructure depth
PP: Periode der LaserstrukturPeriod of the laser structure
DPDP: mittlere Tröpfchengrößemean droplet size
2121: Eindrahtbrennersingle-wire torch
22, 22a22, 22a: Drahtwire
23, 23a23, 23a: Drahtvorschubwire feeder
2424: Gegenelektrodecounter electrode
2525: Stromquellepower source
2626: LichtbogenElectric arc
2727: Gasquellegas source
2828: Gasstromgas flow
2929: Zweidrahtbrennertwo-wire torch
3030: Reibflächefriction surface
3131: Pfeilearrows
NN: Flächennormale der Fläche 11Surface normal of surface 11
SS: Scherkraftshear force
3232: Nabehub
33 - 3533 - 35: Schaufelnshovels

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DE 102019208106 B3 [0005]

Claims

Coating process in which: On a surface (11) of a component (10) to be coated, an interference pattern (14) is generated with light (12, 13) with an intensity that leads to material removal from the surface (11), a spray jet (19) with liquid metal droplets (20) is generated and directed onto the surface (11) in order to allow the metal droplets (20) to impinge on the surface (11) and solidify.

procedure after claim 1 , characterized in that the interference pattern (14) is burned into the surface (11) by material evaporation.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the interference pattern (14) and the surface (11) are kept essentially motionless in relation to one another as long as the light (12, 13) acts on the surface (11).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the material removed from the surface (11) is structured periodically.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the laser interference pattern (14) is generated by means of at least two light beams (12, 13) which are derived from a common light source.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the interference pattern (14) is a line pattern or a grid pattern.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the liquid metal droplets (20) in the spray jet (19) are accelerated by a gas stream (28) in the direction of the surface (11).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the liquid metal droplets (20) are produced by melting at least one wire (22) by means of an arc (26), preferably by arc wire spraying.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the structured surface (11) has a structure depth (T) and the metal droplets (20) have an average diameter (DP) which is the same as or at least of the same order of magnitude as the structure depth (T).

A method according to any of the foregoing Claims 1 until 8th , characterized in that the structured surface (11) has a structure depth (T) and the metal droplets (20) have an average diameter (DP) which is greater, preferably at most ten times, the structure depth (T).

Component (10) comprising: A body having at least a portion having a regularly structured microrough surface (11) on which a layer (17) of metal is adhered.

component after claim 10 , characterized in that the layer (17) consists of a metal droplet deposit.

Component after one of Claims 11 or 12 , characterized in that the structured surface (11) has a structure depth (T) and the layer (17) has a thickness (D) which is at least ten, preferably at least one hundred times as thick as the structure depth (T).

Component according to any of the preceding Claims 11 until 13 , characterized in that it consists of an iron material at least on the surface (11) to be coated.

Component according to any of the preceding Claims 11 until 14 , characterized in that the layer (17) consists of a steel material or a nickel-based material.