DE19650258A1 - Verfahren zum Laserlegieren von Metallteilen mit Zuführung der Legierungskomponenten - Google Patents

Verfahren zum Laserlegieren von Metallteilen mit Zuführung der Legierungskomponenten

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum lokalen Modifizieren von Werkstoffeigenschaften, insbesondere zum Laserlegieren, gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Die Herstellung von Bereichen mit herausragenden Eigenschaften, wie hoher Festigkeit, hoher Härte und/oder großem Verschleißwiderstand kann bei metallischen Werkstoffen durch lokales Einmischen von anderen Metallen oder keramischen Verbindungen unter Einwirkung eines Laserstrahls erfolgen.
Eine Variante für dieses Verfahren ist, in einem Zweistufenverfahren die Legierungskomponenten auf die Oberfläche des Grundmetalls aufzubringen und anschließend die belegte Oberfläche mit einem Laserstrahl zu behandeln, wobei ein Teil des Grundkörpers aufschmilzt und die Legierungskomponenten aufnimmt, so daß beim Abkühlen in diesem Teil des Grundkörpers ein Gefüge entsteht, das verschleißarm ist und eine höhere Festigkeit als das Grundmetall aufweist. Beispielsweise können die Legierungskomponenten als Pulver aufgebracht werden, wie es für das Laserlegieren von Al mit Ti bekannt ist, wobei entweder das reine Ti- Pulver [F. Matsuda, K. Nakata; Jap. Welding Soc., 44 (1989), 174] oder eine Mischung aus Al- und Ti-Pulver [K. Uenishi, A. Sugimoto, K.F. Kobayashi; Z. Metallk., 83 (1992), 241] verwendet wird. Diese Pulver haften schlecht auf der Oberfläche des Grundkörpers, so daß beim Laserbestrahlen keine gleichmäßige Legierungsschicht erzeugt werden kann.
Zur Verbesserung der Haftung der aufgebrachten Schichten auf der Oberfläche des zu legierenden Werkstoffs werden auch organische oder anorganische Bindemittel als Hilfsstoff verwendet. Die Verwendung von Bindemitteln führt jedoch dazu, daß in die verschleißarme Schicht neben den vorgesehenen Legierungskomponenten auch andere chemische Elemente eingebaut werden, die zu schlechteren Eigenschaften führen.
Es wird deshalb auch darüber berichtet, das Pulver des Legierungsmetalls oder das Pulvergemisch auf die Oberfläche des Grundkörpers zu pressen [F. Matsuda, K. Nakata; Jap. Welding Soc., 44 (1989), 174].
Das Aufbringen der Legierungskomponenten kann auch mit anderen Methoden erfolgen, beispielsweise elektrolytisch, durch Aufdampfen, Sputtern oder durch Aufspritzen.
Eine andere Möglichkeit zum Durchführen des Laserlegierens besteht darin, die Legierungskomponenten bei einem Einstufenverfahren während der Einwirkung des Laserstrahls auf das Grundmetall in Form von Pulvern zuzuführen, z. B. Al-Pulver beim Laserlegieren von Ti [J.H. Abboud, D.R.F. West; Mater. Sci. Technol., 2 (1991) 353]. Damit ist allerdings ein hoher Verlust der Pulver verbunden, selbst wenn die nicht in die Oberfläche eingeschmolzenen Anteile aufgearbeitet und wiederverwendet werden. Ein Nachteil beim Zuführen der Pulver mit einem Gasstrom ist, daß zusätzlich eine Gasversorgung benötigt wird und die Gleichmäßigkeit der Legierungszusammensetzung nicht gewährleistet ist.
Es wird deshalb auch vorgeschlagen, die Legierungselemente in Form einer hochlegierten amorphen Metallfolie zu dosieren [DE 41 06 227A1 (1991), W.Schwarz, V.Fux, S.Nowotny, H.-J.Reiche]. Dieses Verfahren hat Ähnlichkeit mit dem lasergestützten Auftragsschweißen mit Zufuhr der Schweißzusatzwerkstoffe als Draht [D.B.Snow, E.M.Breinan, B.H.Heaf; Rapid solidification processing of the superalloys using high power lasers, Proceedings of the Fourth Intematln.Symposium on Superalloys, Amer. Soc. for Metals, Metals Park, Ohio 1980, 5. 189-203]. Die Verwendung einer amorphen Metallfolie hat den Nachteil, daß diese in einem aufwendigen Verfahren hergestellt werden muß und nicht beliebige Mischungen von Legierungskomponenten in einer derartigen Folie enthalten sein können. So ist die Herstellung von amorphen Folien, die keramische Komponenten enthalten, nicht möglich.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, das Verfahren zur Modifizierung von Werkstoffeigenschaften durch Laserlegieren dahingehend zu verbessern, daß ohne Einsatz von Hilfsstoffen in einem Einstufenverfahren eine Anwendung auch bei geometrisch komplizierten Bauteilen mit gekrümmten oder stark geneigten Oberflächen unter weitgehender Ausnutzung der Legierungskomponenten bei großer Qualität der Legierungsschicht möglich ist. Weiterhin soll es die Erfindung ermöglichen, die Werkstoffeigenschaften eines vorgegebenen lokalen Bereiches des Grundkörpers definiert modifizieren zu können. So soll z. B. der Werkstoff des Grundkörpers bis zu einer vorgegebenen Schichtdicke in eine Legierungsschicht mit definierter Zusammensetzung umgewandelt werden können.
Durch das Verfahren sollen auch die Nachteile des Auftragsschweißens vermieden werden, die darin bestehen, daß das aufgebrachte Schweißgut eine große Oberflächenerhebung auf dem Bauteil bildet und keine ausreichende Haftung zwischen denk Schweißgut und denk Grundmaterial besteht.
Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch ein Verfahren gemäß dem Kennzeichen des Hauptanspruchs gelöst, indem die Legierungskomponenten während der Laserbestrahlung in massiver Form zugeführt werden, beispielsweise als Draht oder Stab.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen vor allem darin, daß dadurch eine Modifizierung von Werkstoffeigenschaften ermöglicht wird, die sich auf einen exakt vorgebbaren lokalen Werkstückbereich beschränkt. Ein der Laserbestrahlung vorhergehender Verfahrensschritt zum Aufbringen der Legierungskomponenten und die Verwendung von Bindemittel entfällt. Weiterhin ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine exakte Dosierung der Legierungskomponenten ohne Verlust möglich.
Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist beispielsweise, daß bei der Zuführung der Legierungskomponenten in Drahtform die für das Laserstrahlschweißen mit Zusatzdraht bekannten Dosier- und Kontrollvorrichtungen [U.Dilthey, D.Fuest, O.Kropla; Laser und Optoelektronik, 26 (1), 44 (1994)] nutzbar sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht auch z. B. eine Modifizierung sehr schmaler lokaler Bereiche auf stark gekrümmten Werkstücken. So ist es z. B. möglich, auf zylindrischen Werkstückoberflächen mit Radien im Millimeter- oder Zentimeterbereich ring- oder spiralförmige Bereiche herzustellen, die einen erhöhten Verschleißwiderstand und Querabmessungen z. B. in der Größenordnung von 1 mm oder weniger aufweisen. Das Ziel der Eigenschaftsveränderung des Grundmaterials durch das Laserlegieren kann außer einer Erhöhung von Härte, Festigkeit oder Verschleißwiderstand auch darin bestehen, die Dauerschwingfestigkeit zu erhöhen, die zeitabhängige Formänderung durch Fließen zu vermindern und/oder die Ausbreitung von Rissen zu stoppen.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich unmittelbar auch aus den in den Unteransprüchen angegebenen Ausführungsformen sowie den Ausführungsbeispielen.
Erstes Ausführungsbeispiel
Bei einem 4 mm starkem Blech aus Aluminium soll in einem engen Bereich die Verschleißfestigkeit erhöht werden. Dieser Bereich wird mit einem Laser bahnförmig bestrahlt, beispielsweise mit einem 5 kW-CO2- Laser, so daß eine Schmelzzone entsteht, wobei gleichzeitig in die durch den Laserstrahl aufgeschmolzene Zone des Bleches ein Draht aus einer 48% Ti und 52% Al enthaltenden Mischung zugeführt wird. Dieser Draht wird kontinuierlich aus einem Vorratsbehälter über eine Transportvorrichtung mit dem Drahtende in die Schmelzzone geführt und vermischt sich mit der Al-Schmelze. Beim Abkühlen der Schmelze erstarrt diese zu einem Gefüge, dessen Verschleiß bei Reibbeanspruchung geringer als der des ursprünglichen Al-Bleches ist.
Zweites Ausführungsbeispiel
In ein 10 mm dickes Al Teil wird eine Nut mit einem Querschnitt von 1,0 mm×0,8 mm eingebracht. Der Lichtstrahl eines 5 kW-CO2-Lasers wird entlang dieser Nut geführt und gleichzeitig ein Ti-Draht von 1 mm Durchmesser kontinuierlich zugeführt. Die Geschwindigkeit des Laserstrahls und der Durchmesser des Laserstrahls werden so gewählt, daß das Al in der Umgebung der Nut aufschmilzt und eine von der Zuführgeschwindigkeit des Ti-Drahtes vorgegebene Menge Ti löst. Beim Weiterführen des Laserstrahls erstarrt jeweils die Schmelze und es entsteht eine Legierungsspur mit hohem Verschleißwiderstand. Der Querschnitt der Nut und die zugeführte Ti-Menge sind so aufeinander abgestimmt, daß durch die Ti-Zufuhr das Volumen der Nut mit der entstehenden Al-Ti-Legierung gefüllt wird und das Al-Teil nach dem Laserlegieren und dem beim Abkühlen erfolgenden Schrumpfen eine gerade Oberfläche ohne Aufwölbung aufweist.
Drittes Ausführungsbeispiel
In ein 3 mm dickes Blech aus einer Legierung, die aus Al und 3% Mg besteht, wird eine Bohrung von 3 mm Durchmesser eingebracht. Die Umgebung der Bohrung wird mit einem kreisförmig um die Bohrung geführtem Strahl eines 5 kW-Lasers bestrahlt. Gleichzeitig wird ein 2 mm dicker Stab, bestehend aus einer Mischung von 70% Al und 30% SiC zugeführt. Das Aluminiumblech befindet sich während der Laserbestrahlung auf einer Unterlage, die mit dem Aluminium und dem SiC keine Legierung bildet oder eine Verbindung eingeht und die verhindert, daß die Schmelze aus dem Aluminiumblech ausgetragen wird, beispielsweise auf einer Keramikunterlage. Die Zuführung des Stabes erfolgt durch eine Vorschubvorrichtung so, daß eine definierte Menge des Stabes in den durch den Laserstrahl aufgeschmolzenen Bereich des Al-Bleches eingemischt wird. Die Menge des eingeschmolzenen Stabes wird so groß gewählt, daß die Menge gerade ausreicht, das Volumen der Bohrung mit der entstehenden Legierung zu füllen. Dadurch weist das Blech nach dem Erstarren der Schmelze eine gerade Oberfläche auf. Im Bereich der ehemaligen Bohrung und in einem angrenzenden Volumen des Al-Bleches entsteht beim Abkühlen der Schmelze ein Gefüge mit hoher Festigkeit. Dadurch ist die Verformbarkeit und die Fließfähigkeit des Bleches an dieser Stelle bei der Befestigung anderer Teile unter Druckeinwirkung wesentlich geringer als in den nicht laserlegierten Bereichen.
Viertes Ausführungsbeispiel
Ein 4 mm dickes Blech aus einer Al-Legierung mit 12% Si soll mit SiC legiert werden. Dazu wird während der bahnförmigen Bestrahlung mit einem 2 kW Nd:YAG-Laser ein Zusatzwerkstoff kontinuierlich zugeführt. Dieser Zusatzwerkstoff besteht aus einem Al-Röhrchen mit einem Innendurchmesser von 1 mm, das mit einer verdichteten Mischung aus 90% SiC-Pulver und 10% Al-Pulver gefüllt ist. Das Röhrchen wird vor dem Laserbestrahlen zum Entfernen der Luft aus den Hohlräumen im Inneren unter Druck mit Argon so lange gespült, bis der aus dem Röhrchen austretende Spülgasstrom weniger als 0,1% Sauerstoff enthält. Während der Laserbestrahlung wird der Spülgasstrom aufrechterhalten und zusätzlich ein Argonstrom auf die Prozeßzone gerichtet. Dadurch wird verhindert, daß die Legierungskomponenten oder der Grundwerkstoff mit Bestandteilen von Luft reagieren können. Nach dem Laserlegieren weist der Grundwerkstoff eine 3 mm breite und 3 mm tiefe legierte Spur auf, die bei einem Stift-Scheibe-Reibungsversuch mit einem Stahlstift als Gegenkörper einen Verschleißwiderstand besitzt, der deutlich größer als der des Grundwerkstoffs ist.

Claims (31)

1. Verfahren zur lokalen Modifizierung von Werkstoffeigenschaften, bei dem ein aus Legierungskomponenten bestehender Zusatzwerkstoff mittels energiereicher Strahlung in einen Grundwerkstoff eingeschmolzen wird, insbesondere Laserlegieren von Metallteilen zur Erhöhung der lokalen Festigkeit, des Verschleißwiderstandes und/oder anderer Werkstoffparameter, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zufuhr der Legierungskomponenten in Form eines Formkörpers erfolgt, dessen Menge sich nach der Größe des mittels des Verfahrens umzuwandelnden Bereiches des Grundkörpers und dem gewünschten Mischungsverhältnis von Grundwerkstoff und Legierungskomponenten richtet und ein vorgegebener Bereich des Grundkörpers mittels der Strahlung bis zu einer mindestens partiellen Vermischung von Grundwerkstoff und Legierungskomponenten aufgeschmolzen wird.
2. Verfahren zur lokalen Modifizierung von Werkstoffeigenschaften nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als energiereiche Strahlung Laserstrahlung und/oder Elektronenstrahlen verwendet werden.
3. Verfahren zur lokalen Modifizierung von Werkstoffeigenschaften nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzwerkstoff aus einem oder mehreren Metallen besteht.
4. Verfahren zur lokalen Modifizierung von Werkstoffeigenschaften nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzwerkstoff ein oder mehrere Metalle und eine oder mehrere Nichtmetallkomponenten enthält.
5. Verfahren zur lokalen Modifizierung von Werkstoffeigenschaften nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzwerkstoff aus Keramik besteht.
6. Verfahren zur lokalen Modifizierung von Werkstoffeigenschaften nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzwerkstoff aus dem zu behandelnden Werkstoff und den metallischen und/oder keramischen Legierungskomponenten besteht.
7. Verfahren zur lokalen Modifizierung von Werkstoffeigenschaften nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundwerkstoff Vertiefungen oder Löcher aufweist, die durch die Zuführung des Zusatzwerkstoffs mit legiertem Grundwerkstoff gefüllt werden.
8. Verfahren zur lokalen Modifizierung von Werkstoffeigenschaften nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper draht-, steg-, stift-, stab- oder röhrenförmig ist.
9. Verfahren zur lokalen Modifizierung von Werkstoffeigenschaften nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich der Vermischung von Zusatzwerkstoff und Grundwerkstoff auf eine Schicht an der Oberfläche des Grundkörpers begrenzt ist.
10. Verfahren zur lokalen Modifizierung von Werkstoffeigenschaften nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Aufschmelzen des Grundwerkstoffes und die Vermischung von Zusatzwerkstoff und Grundwerkstoff über die gesamte Bauteildicke oder einen wesentlichen Prozentsatz der gesamten Bauteildicke des Grundkörpers erstreckt.
11. Verfahren zur lokalen Modifizierung von Werkstoffeigenschaften nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlparameter in Abhängigkeit von den Werkstoffparametern so gewählt werden, daß in einem Teil des zu modifizierenden Bereiches des Grundkörpers ein Loch geschmolzen wird oder eine Vertiefung entsteht.
12. Verfahren zur lokalen Modifizierung von Werkstoffeigenschaften nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr des Zusatzwerkstoffs kontinuierlich während der Bestrahlung erfolgt.
13. Verfahren zur lokalen Modifizierung von Werkstoffeigenschaften nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl über den Grundwerkstoff bei gleichzeitiger Zufuhr des Zusatzwerkstoffes geführt wird.
14. Verfahren zur lokalen Modifizierung von Werkstoffeigenschaften nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundwerkstoff bei gleichzeitiger Zufuhr des Zusatzwerkstoffes durch den Laserstrahl geführt wird.
15. Verfahren zur lokalen Modifizierung von Werkstoffeigenschaften nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundwerkstoff vor dem Einlegieren des Zusatzwerkstoffes vorgewärmt wird, beispielsweise mit einem Laserstrahl.
16. Verfahren zur lokalen Modifizierung von Werkstoffeigenschaften nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der legierte Bereich und angrenzende Bereiche des nichtlegierten Grundwerkstoffs nach dem Legieren einer nochmaligen thermischen Behandlung unterzogen werden, beispielsweise durch Laserbestrahlung.
17. Verfahren zur lokalen Modifizierung von Werkstoffeigenschaften nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der aus dem Zusatzwerkstoff bestehende Formkörper aus Schichten verschiedener Legierungskomponenten besteht.
18. Verfahren zur lokalen Modifizierung von Werkstoffeigenschaften nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht.
19. Verfahren zur lokalen Modifizierung von Werkstoffeigenschaften nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zugeführte Formkörper aus Ti, einer Ti-Legierung, einer Ti-Al-Legierung oder einer Legierung aus Ti und Al und einem oder mehreren anderen Elementen besteht.
20. Verfahren zur lokalen Modifizierung von Werkstoffeigenschaften nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zugeführte Formkörper aus Al oder einer Al-Legierung besteht und keramische Stoffe enthält.
21. Verfahren zur lokalen Modifizierung von Werkstoffeigenschaften nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der zugeführte Formkörper aus Si oder einer Si-Legierung besteht.
22. Verfahren zur lokalen Modifizierung von Werkstoffeigenschaften nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der zugeführte Formkörper aus Ni oder einer Ni-Legierung besteht.
23. Verfahren zur lokalen Modifizierung von Werkstoffeigenschaften nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper aus Magnesium oder einer Magnesiumlegierung besteht.
24. Verfahren zur lokalen Modifizierung von Werkstoffeigenschaften nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der zugeführte Formkörper aus einem rohrförmigen Hohlkörper aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht, die mit einem Keramikpulver gefüllt ist.
25. Verfahren zur lokalen Modifizierung von Werkstoffeigenschaften nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der zugeführte Formkörper aus einem aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gefertigten Draht besteht, auf dessen Oberfläche eine Schicht aus Keramik aufgebracht ist.
26. Verfahren zur lokalen Modifizierung von Werkstoffeigenschaften nach einem der Ansprüche 24 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramikpulver SiC ist.
27. Verfahren zur lokalen Modifizierung von Werkstoffeigenschaften nach einem der Ansprüche 24 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramikpulver TiN ist.
28. Verfahren zur lokalen Modifizierung von Werkstoffeigenschaften nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Vorratsbehälter und die Vorrichtung zum Zuführen des stab- oder drahtförmigen Formkörpers in einem Gefäß befinden, das mit einem Schutzgasstrom gespült wird, welches die Reaktion des Grundmaterials oder der Legierungskomponenten mit Bestandteilen der Luft beim Laserlegieren verhindert.
29. Verfahren zur lokalen Modifizierung von Werkstoffeigenschaften nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß während der Laserbestrahlung die Prozeßzone mit einem Schutzgas gespült wird, um eine Reaktion des Grundmaterials oder der Legierungskomponenten mit Luft zu verhindern.
30. Verfahren zur lokalen Modifizierung von Werkstoffeigenschaften nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Innere des aus einem mit Keramikpulver gefüllten Röhrchen bestehende zugeführte Formkörper mit einem Schutzgas gespült wird.
31. Verfahren zur lokalen Modifizierung von Werkstoffeigenschaften nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzgas Argon ist.
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