DE19520149A1 - Endkonturnahes Laserstrahlbeschichten mit Kokille - Google Patents
Endkonturnahes Laserstrahlbeschichten mit KokilleInfo
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Description
Der Werkstoff eines Bauteils unterliegt an seiner Oberfläche anderen Beeinflussungen als im
Volumen, da es hier zu Korrosion, Verschleiß und Ermüdung kommen kann. Aus diesem
Grunde werden Werkstoffe als Gradientenwerkstoffe aufgebaut oder an ihrer Oberfläche
thermisch, chemisch oder mechanisch verändert bzw. mit einem Beschichtungswerkstoff
beschichtet.
Das vorgeschlagene Verfahren und die vorgeschlagene Vorrichtung betreffen das thermische
Beschichten eines Trägerwerkstoffes (Substrat), welches für die Herstellung von verschleiß
und/oder korrosionsfesten Schichten vorteilhaft genutzt werden kann.
Die Höhe von Beschichtungen variieren in der Literatur anwendungsbedingt von einigen
Atomlagen, z. B. bei PVD-Schichten, bis zu mehrere Zentimeter hohen Auftragschweißungen.
Das vorgeschlagene Verfahren und die vorgeschlagene Vorrichtung lassen sich vorteilhaft zur
Herstellung von thermischen Beschichtungen im Millimeterbereich (0,1-5 mm) nutzen. Bei
dem Verfahren wird, wie dies beim Laserstrahlbeschichten üblich ist, die Laserstrahlung mit
einer geeigneten Intensität von 10³-10⁶ W/cm² auf die Substratoberfläche fokussiert und ein
geeigneter Zusatzwerkstoff der Wirkzone zugeführt. Durch Relativbewegung zwischen
Substrat einerseits sowie Laserstrahlung und Zuführung andererseits lassen sich durch
Aufschmelzen des Zusatzwerkstoffes und/oder des Substrates Beschichtungsbahnen erzeugen,
durch deren Aneinanderreihung flächenhafte Beschichtungen entstehen. Durch den Schmelz
vorgang nimmt die flüssige Oberfläche entsprechend den angreifenden Kräften (der Schwer
kraft und der temperaturabhängigen Oberflächenspannung sowie gegebenenfalls weiterer
Kräfte, wie z. B. die Fliehkraft) eine charakteristische Querschnittsgestalt an. Die so auf
natürliche Weise entstehende Geometrie der Querschnittsfläche entspricht nur selten der
Geometrie, die anwendungsspezifisch gefordert wird, so daß zum Teil eine erhebliche Nach
arbeit notwendig wird.
Bei erfindungsgemäßer Anwendung des vorgeschlagenen Verfahrens und der vorgeschlagenen
Vorrichtung kann vorteilhaft auf eine Nacharbeit weitestgehend verzichtet werden.
Erfindungsgemaß wird dies dadurch erreicht, daß die Schmelze in ihrer geometrischen
Ausbildung durch Unterstützung in zwei bis vier Richtungen behindert wird. Diese
Behinderung erfolgt in einer Richtung durch das Substrat selbst und in einer bis drei weiteren
Richtungen durch eine glattwandige Kokille. Aus einer und/oder zwei der verbleibenden
Richtungen kann dann die zum Schmelzen notwendige Laserstrahlung und der
Zusatzwerkstoff zugeführt werden. Dabei entstehen Beschichtungen, die an den unterstützten
Seiten glattwandig und endkonturnah sind.
Dort, wo es die Bauteilgeometrie erlaubt, kann man bei erfindungsgemäßem Handeln unter
Ausnutzung der sogenannten Wannenlage besonders vorteilhaft Beschichten (Beispiel 2).
Gute Schichtqualitäten sowie eine ausreichend Haftung zum Substrat erhält man bei
erfindungsgemäßem Handeln dann, wenn die Breite der Beschichtung so gewählt wird, daß
das Verhältnis aus Höhe zu Breite zwischen 1 : 20 und 5 : 1 liegt, vorzugsweise jedoch
zwischen 1 : 2 und 2 : 1.
Für viele Anwendungen, z. B. bei der Beschichtung von Sägeblättern, Leisten etc., bei denen
über die gesamte Breite des Bauteils auf einmal die Beschichtung aufgebracht werden soll,
kann dies erfindungsgemäß dadurch gelöst werden, daß die Schmelze senkrecht zur
Vorschubrichtung gestützt wird und in der Lotrechten sowie in Vorschubrichtung eine
Unterstützung unterbleibt (Beispiel 1 und 2). Bei anderen Bauteilgeometrien ist es möglich,
die Kokille relativ zum Substrat zu bewegen. Dabei ist es erfindungsgemäß unerheblich, ob
das Substrat feststeht und die Kokille bewegt wird oder umgekehrt. Insbesondere bei
bewegter Kokille kann es vorteilhaft sein, die Kokille nicht einteilig auszuführen sondern
eine geteilte Kokille zu verwenden (Beispiel 3). Dies ist erfindungsgemäß dann vorteilhaft,
wenn lediglich ein Teil der Kokille gegenüber dem Substrat verschoben wird, während ein
anderer Teil fest mit dem Substrat verbunden ist. Bei erfindungsgemäßem Handeln lassen
sich vorteilhaft Beschichtungshöhen und -breiten erzeugen, die eine Abweichung von der
Sollgröße um weniger als 10 Prozent, vorzugsweise 1 Prozent aufweisen.
Um eine Auflegieren des Kokillenwerkstoffes durch den Zusatzwerkstoff und/oder den
Substratwerkstoff zu verhindern, kann es erfindungsgemäß notwendig sein, die Kokille
insbesondere an den Flächen, die mit der Schmelze in Kontakt treten, mit einem Trennmittel
zu beschichten.
Je nach Substrat- und Zusatzwerkstoff sowie abhängig von der zugeführten Energie der
Laserstrahlung wird sich das Erstarrungsverhalten der erstarrenden Schmelze anders
ausbilden. Dieser Tatsache kann man erfindungsgemäß dadurch begegnen, daß eine externe
Kühlung und/oder Heizung der Kokille vorgesehen wird. Auf diese Weise kann man vorteil
haft die Wärme des thermischen Beschichtungsprozesses entweder bevorzugt über die Kokille
(Kühlung) oder über das Substrat (Heizung der Kokille) abführen. Eine Abführung der
Wärme über die Kokille verringert die thermischen Verzüge, eine Abfuhr über das Substrat
verbessert die Haftfestigkeit zwischen Substrat und Beschichtung.
Bei einstufiger Beschichtung und bei Zuführen des Zusatzwerkstoffes in Pulver-, Draht-,
oder Pastenform kann man erfindungsgemäß den Wirkungsgrad, mit dem der Zusatzwerk
stoff aufgebracht wird, dadurch erhöhen, daß die Zuführeinrichtung für den Zusatzwerkstoff
durch die Kokille geometrisch geführt wird. Vorteilhaft ist dabei, daß sich Wirkungsgrade
von 80 Prozent, vorzugsweise mehr als 95 Prozent erreichen lassen. Technisch lassen sich
das vorgeschlagene Verfahren und die vorgeschlagene Vorrichtung zur Herstellung von
Verschleiß- und Korrosionsschutzschichten nutzen.
Eine weitere Anwendung zielt darauf ab, Formteile zu erzeugen, wobei auf einem Substrat
die Außenkontur des späteren Formteils durch sukzessives Legen von Einzelspuren erzeugt
wird (Beispiel 4). Der Kern des Formteils kann in einem zweiten Schritt durch gleichen oder
fremden Werkstoff aufgefüllt werden. Dies hat den technischen Vorteil, daß es möglich ist,
Erstteile aus Metall mit hoher Dichte herzustellen, ohne daß hierzu eine Form notwendig ist
(rapid prototyping). Bei erfindungsgemäßem Handeln ergibt sich darüber hinaus der Vorteil,
daß Formteile aus nicht gießbaren Werkstoffen herstellbar sind. Hierunter fallen solche
Werkstoffe, bei denen eine Komponente nicht aufschmelzen darf, oder solche, bei denen es
zu einer Reaktion zwischen den Komponenten des Werkstoffs kommt.
Die Fig. 1 und 2 zeigen die Beschichtung eines rotationssymmetrischen Bauteils, hier ein
Sägeblattes, wobei die Schmelze senkrecht zur Vorschubgeschwindigkeit, die zwischen 0, 1
und 1 m/min liegen kann, von einer glattwandigen Kokille und in der Lotrechten vom
Bauteil selbst gestützt ist. Ein gepulster Nd:YAG-Laser (Pulsfolgefrequenz: 200 bis 250 Hz,
Pulsleistung: 5 bis 7 kW, Pulslänge: 0,7 bis 1 ms) wird mit einer mittleren Ausgangsleistung
von 1 bis 1,2 kW und einem Brennfleckdurchmesser von ca. 4 mm (runder Brennfleck, Lei
stungsdichte: 5·10³ bis 1·10⁴ W/cm²) auf das ca. 1 bis 3 mm breite Substrat geführt. Simultan
erfolgt eine pneumatische Zuführung von pulverförmigem Zusatzwerkstoff mit einer
Massenrate von 0,1 bis 0,5 g/s, wobei als Fördergas Argon mit einer Durchflußmenge von
4 l/min verwendet wird. Der Zusatzwerkstoff besteht aus einer Bronze (hier CuSn 20), der
hier Hartstoffe mit einem Anteil bis 20 Volumenprozent zugesetzt wurde. Im Falle einer
reinen Bronzebeschichtung schmilzt der Beschichtungswerkstoff in der Wirkzone des
Laserstrahls auf und bildet eine festhaftende, endkonturnahe Schicht auf dem Substrat. Im
Falle von hartstoffhaltigen Zusatzwerkstoffen sind die Hartstoffe unaufgeschmolzen bzw.
unzerstört und gleichmäßig verteilt in der Bronzematrix verteilt. Durch die Führung der
Zusatzwerkstoffzufuhr (Pulverdüse) und des geförderten Zusatzwerkstoffes (Pulverstrahl)
ergeben sich Beschichtungswirkungsgrade über 80 Prozent. Die Beschichtungshöhe erreicht
je nach Kombination von Pulvermassenrate und Vorschubgeschwindigkeit zwischen 0,1 und
5 mm. Es entstehen dadurch Höhe zu Breite Verhältnisse zwischen 1 : 20 bis 5 : 1. Durch
die glattwandige Kokille ergeben sich Konturabweichungen, die weniger als 3 Prozent der
Beschichtungshöhe betragen. Die entstandene Schicht stellt im oben genannten Sinne eine
verschleißfeste Schicht dar.
Die Fig. 3, 4 und 5 zeigen die Beschichtung eines ebenen Bauteils, hier eine Leiste, wobei
die Schmelze senkrecht zur Vorschubgeschwindigkeit, die zwischen O, 1 und 1 m/min liegen
kann, von einer glattwandigen Kokille und in der Lotrechten vom Bauteil selbst gestützt ist.
Ein gepulster Nd:YAG-Laser (Pulsfolgefrequenz: 200 bis 250 Hz, Pulsleistung: 5 bis 7 kW,
Pulslänge: 0,7 bis 1 ms) wird mit einer mittleren Ausgangsleistung von 1 bis 1,2 kW und
einem Brennfleckdurchmesser von ca. 4 mm (runder Brennfleck, Leistungsdichte:
5·10³ bis 1·10⁴ W/cm²) auf das ca. 1 bis 3 mm breite Substrat geführt. Simultan erfolgt eine
pneumatische Zuführung von pulverförmigem Zusatzwerkstoff mit einer Massenrate von
0,1 bis 0,5 g/s, wobei als Fördergas Argon mit einer Durchflußmenge von 4 l/min
verwendet wird. Der Zusatzwerkstoff besteht aus einer Bronze (hier CuSn 20), der hier
Hartstoffe mit einem Anteil von 12,5 Volumenprozent zugesetzt wurde. Im Falle einer reinen
Bronzebeschichtung schmilzt der Beschichtungswerkstoff in der Wirkzone des Laserstrahls
auf und bildet eine festhaftende, endkonturnahe Schicht auf dem Substrat. Im Falle von
bartstoffhaltigen Zusatzwerkstoffen sind die Hartstoffe unaufgeschmolzen bzw. unzerstört
und gleichmaßig verteilt in der Bronzematrix verteilt. Durch die Fuhrung der
Zusatzwerkstoffzufuhr (Pulverdüse) und des geförderten Zusatzwerkstoffes (Pulverstrahl)
ergeben sich Beschichtungswirkungsgrade über 80 Prozent. Die Beschichtungshöhe erreicht
je nach Kombination von Pulvermassenrate und Vorschubgeschwindigkeit zwischen 0,1
und 5 mm. Es entstehen dadurch Höhe zu Breite Verhältnisse zwischen 1 : 20 bis 5 : 1.
Durch die glattwandige Kokille ergeben sich Konturabweichungen, die weniger als 1 Prozent
der Beschichtungshöhe betragen. Die entstandene Schicht stellt im oben genannten Sinne eine
verschleißfeste Schicht dar.
Die Fig. 6 und 7 zeigen die Beschichtung eines ebenen Bauteils, hier eine Leiste, wobei die
Schmelze mit einer geteilten Kokille gestützt wird. Senkrecht zur Vorschubgeschwindigkeit,
die zwischen 0,1 und 1 m/min liegen kann, wird die Schmelze von einem glattwandigen
ersten Kokillenteil und in der Lotrechten vom Bauteil selbst gestützt ist. Senkrecht zum
ersten Kokillenteil stützt der zweite Teil der glattwandigen Kokille die Schmelze an der
Oberseite, wodurch in einer weiteren Richtung die Endkontur erreicht wird. Während der
erste Kokillenteil, der die Schmelze abstützt, mit dem Substrat fest verbunden ist, ist der
zweite Kokillenteil mit dem Laser und der Zusatzwerkstoffzufuhr (Pulverdüse) verbunden.
Ein gepulster Nd:YAG-Laser (Pulsfolgefrequenz: 200 bis 250 Hz, Pulsleistung: 5 bis 7 kW,
Pulslänge: 0,7 bis 1 ms) wird mit einer mittleren Ausgangsleistung von 1 bis 1,2 kW und
einem Brennfleckdurchmesser von ca. 4 mm (runder Brennfleck, Leistungsdichte:
5·10³ bis 1·10⁴ W/cm²) auf das ca. 1 bis 3 mm breite Substrat geführt. Simultan erfolgt eine
pneumatische Zuführung von pulverförmigem Zusatzwerkstoff mit einer Massenrate von
0,1 bis 0,5 g/s, wobei als Fördergas Argon mit einer Durchflußmenge von 4 l/min
verwendet wird. Der Zusatzwerkstoff besteht aus einer Bronze (hier CuSn 20), der Hartstoffe
mit einem Anteil von 12,5 Volumenprozent zugesetzt wurde. Im Falle einer reinen
Bronzebeschichtung schmilzt der Beschichtungswerkstoff in der Wirkzone des Laserstrahls
auf und bildet eine festhaftende, endkonturnahe Schicht auf dem Substrat. Im Falle von
hartstoffhaltigen Zusatzwerkstoffen sind die Hartstoffe unaufgeschmolzen bzw. unzerstört
und gleichmäßig verteilt in der Bronzematrix verteilt. Durch die Führung der
Zusatzwerkstoffzufuhr (Pulverdüse) und des geförderten Zusatzwerkstoffes (Pulverstrahl)
ergeben sich Beschichtungswirkungsgrade über 80 Prozent. Die Beschichtungshöhe erreicht
je nach Kombination von Pulvermassenrate und Vorschubgeschwindigkeit zwischen 0,1 und
5 mm. Es entstehen dadurch Höhe zu Breite Verhältnisse zwischen 1 : 20 bis 5 : 1. Durch
die glattwandige Kokille ergeben sich Konturabweichungen, die weniger als 1 Prozent der
Beschichtungshöhe betragen. Die entstandene Schicht stellt im oben genannten Sinne eine
verschleißfeste Schicht dar.
Die Fig. 8, 9 und 10 zeigen die Herstellung von Formteilen, wobei eine Kokille, die fest mit
dem Laserstrahl und der Zusatzwerkstoffzufuhr (Pulverdüse) verbunden ist, die Schmelze
stützt. Durch Verfahren von Laserstrahl, Zusatzwerkstoffzufuhr und Kokille in der x-y-Ebene
entsteht eine Spur. Durch mehrmaliges Übereinanderlegen von Spuren mit einer
Geschwindigkeit von 0,1 bis 1 m/min entsteht ein Formteil. Ein gepulster Nd:YAG-Laser
(Pulsfolgefrequenz: 200 bis 250 Hz, Pulsleistung: 5 bis 7 kW, Pulslange: 0,7 bis 1 ms) wird
mit einer mittleren Ausgangsleistung von 1 bis 1,2 kW und einem Brennfleckdurchmesser
von ca. 4 mm (runder Brennfleck, Leistungsdichte: 5·10³ bis 1·10⁴ W/cm²) auf das Substrat
geführt. Der Abstand der beiden Kokillenteile beträgt 1 bis 3 mm. Simultan erfolgt eine
pneumatische Zuführung von pulverförmigem Zusatzwerkstoff mit einer Massenrate von
0,1 bis 0,5 g/s, wobei als Fördergas Argon mit einer Durchflußmenge von 4 l/min
verwendet wird. Der Zusatzwerkstoff besteht aus einer Bronze (hier CuAl 10) oder anderen
mit dem Laserstrahl schmelzbaren Werkstoffen. Der Beschichtungswerkstoff schmilzt in der
Wirkzone des Laserstrahls auf und bildet ein in 5 Richtungen freistehendes, endkonturnahes
Formteil, das in der 6. Richtung am Substrat haftet. Durch die Führung der
Zusatzwerkstoffzufuhr (Pulverdüse) und des geförderten Zusatzwerkstoffes (Pulverstrahles)
ergeben sich Beschichtungswirkungsgrade über 80 Prozent. Das Verhältnis von Beschich
tungshöhe zu -breite muß ca. 1 : 10 betragen, um eine endkonturnahe Kontur zu erreichen.
Claims (14)
1. Beansprucht werden Verfahren und Vorrichtungen für ein thermisches Beschichtungs
verfahren zur Herstellung von millimeterhohen Schichten auf Werkzeugen, Bauteilen
oder Substraten, bei dem einem Substratwerkstoff ein Zusatzwerkstoff zugefügt und
mit Hilfe eines Laserstrahls aufgeschmolzen wird, um eine fest haftende Bindung
zwischen Substrat und Zusatzwerkstoff zu erzielen, dadurch gekennzeichnet, daß
zusätzlich zum Substrat eine glattwandige Kokille verwendet wird, die gemeinsam
mit dem Substrat den schmelzflüssigen Zusatzwerkstoff in mindestens zwei, in der
Regel vier Seiten gegen ein Verlaufen stützt, wobei durch eine und/oder zwei der
verbleibenden Seiten der Zusatzwerkstoff und die Laserstrahlung zugeführt werden
und durch Relativbewegung zwischen dem Laserstrahl und der Zusatzwerkstoffzufuhr
einerseits und dem Substrat andererseits eine endkonturnahe, glatte Beschichtung auf
dem Substrat entsteht.
2. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine der
beiden nicht gestützten Seiten diejenige ist, die senkrecht zur Lotrechten liegt
(Kokille mit Wannenlage).
3. Verfahren und Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 2,
dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine, in der Regel zwei durch die Kokille
gestützte Seiten parallel zur Beschichtungsrichtung verlaufen.
4. Verfahren und Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß eine der nicht unterstützten Seiten senkrecht zur
Vorschubrichtung liegt.
5. Verfahren und Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis Höhe zu Breite 1 : 20 bis 5 : 1,
vorzugsweise 1 : 2 bis 2 : 1 beträgt.
6. Verfahren und Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kokille geteilt ist (geteilte Kokille).
7. Verfahren und Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kokille oder ein Teil von ihr raumfest mit dem
Koordinatensystem verbunden ist, das sich aus Laserstrahl, Zusatzwerkstoff
zufuhreinrichtung und der auf diesen senkrecht stehenden Richtung gebildet wird, und
damit während der Beschichtung eine Relativbewegung zwischen der Kokille oder
einem Teil der Kokille und dem Substrat erfolgt (im Koordinatensystem des
Substrates handelt es sich dann um eine bewegte Kokille).
8. Verfahren und Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtungshöhe zwischen 0, 1 und 5 Millimetern
liegt und die maximale Konturabweichung weniger als 10, vorzugsweise weniger als
1 Prozent der Beschichtungshöhe beträgt.
,9. Verfahren und Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kokille mit einem Trennmittel beschichtet ist.
10. Verfahren und Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kokille gekühlt oder geheizt wird.
11. Verfahren und Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzwerkstoff in Pulverform über eine Düse dem
Prozeß zugeführt, die Düse durch die Kokille geführt wird und der Wirkungsgrad,
mit dem der Zusatzwerkstoff aufgebracht wird, mehr als 80, vorzugsweise mehr als
95 Prozent beträgt.
12. Verfahren und Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Beschichtungen um Verschleiß- und/oder
Korrosionsschutzschichten handelt.
13. Verfahren und Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat nachträglich entfernt und die erzeugte
Beschichtung als Formteil verwendet wird (Kokille zum rapid prototyping).
14. Verfahren und Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung mit der Kokille zur Herstellung von
Formteilen von nicht gießbaren Werkstoffen verwendet wird.
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Publications (2)
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| DE19520149B4 DE19520149B4 (de) | 2010-03-04 |
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