DE19951143A1 - Verfahren zur Erwärmung von Materialien und Materialverbunden mittels Laser- und Mikrowellenenergie, Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und nach dem Verfahren hergestelltes Bauteil - Google Patents

Verfahren zur Erwärmung von Materialien und Materialverbunden mittels Laser- und Mikrowellenenergie, Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und nach dem Verfahren hergestelltes Bauteil

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Monika Willert-Porada
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Abstract

Die Mikrowellenerwärmung von Materialien ist im Vergleich zur Lasererwärmung gekennzeichnet durch eine wesentlich höhere Eindringtiefe der elektromagnetischen Welle und durch die vergleichsweise geringe Möglichkeit, das sich ausbildende Temperaturprofil durch äußeren Eingriff auf das elektromagnetische Feld zu beeinflussen. Bei Anwendung eines kombinierten Laser/Mikrowellen-Erwärmungsverfahrens auf die Bauteilherstellung, Bauteilbearbeitung und Bauteilbeschichtung wird die Mikrowellenenergie auf den durch Laserstrahl- oder Bauteilsteuerung frei wählbaren lasererwärmten Bauteilbereich focussiert und somit durch äußeren Eingriff über das vom Laser verursachte thermische Feld steuerbar, ohne den Vorteil der höheren Eindringtiefe zu verlieren. Dadurch kann die Mikrowellenenergie effizient und lokalisiert zur Erwärmung und Modifizierung ausgewählter Bauteilbereiche beitragen. Das Verfahren kann vorteilhaft auf die Bauteilherstellung, z. B. durch Sintern oder Schmelzen pulverförmiger Materialien, auf die Bauteilbearbeitung, z. B. durch Umschmelzen oder Abtragen einer Oberflächenschicht, oder auf die Bauteilbeschichtung, z. B. bei der Herstellung keramischer Schutzschichten auf Metallen, angewendet werden.

Description

Die Kombination von Mikrowellen- und Laserenergie ist bereits aus der Plasmatechnik bekannt.
Das Ziel der bereits bekannten Verfahrenskombination ist jedoch die Erzeugung eines möglichst stationären und homogenen Plasmas durch die Vorgabe eines lokal begrenzten Zündbereiches im Focuspunkt des Laserstrahls, der innerhalb eines Mikrowellenapplikators liegt. Der Laserstrahl wird hierbei in der Gasphase [1, 2] stationär focussiert. Über die Anwendung der kombinierten Laser/Mikrowellenerwärmung zur gezielten, lokalen Wärmebehandlung von Festkörpern oder Bauteilen mit einem bewegten Laserstrahl zur Erzielung bestimmter Bauteileigenschaften ist jedoch nicht berichtet worden. Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Tatsache zugrunde, daß die Eindringtiefe elektromagnetischer Strahlung aus dem Bereich der Laserstrahlung in ein zu sinterndes/schmelzendes Bauteil in der Größenordnung der Wellenlänge der Laserstrahlung liegt und somit auf einen Bereich nahe der Oberfläche beschränkt ist. Auch durch Erhöhung der Laserleistung kann der erwärmbare Bereich nicht wesentlich ausgedehnt werden, ohne das Bauteil durch Verdampfung zu zerstören, da die Vergrößerung eines mit hoher Laserleistung erwärmten Bereiches aufgrund der begrenzten Eindringtiefe nur durch Wärmeleitung von der Oberfläche zum Bauteilzentrum erfolgen kann. Dieses Problem ist aus dem Bereich des selektiven Lasersinterns bekannt. Die Eindringtiefe von Mikrowellenstrahlung typischer Frequenzen von 2,45 GHz oder 915 MHz in feste und flüssige Materialien liegt wesentlich höher als die von Laserstrahlung. Mikrowellen der weit verbreiteten Frequenzen 2,45 GHz oder 915 MHz lassen sich aber nicht wie ein Laserstrahl bündeln und auf ein Bauteil focussieren. Sie werden im Gegensatz dazu wegen ihrer hohen Eindringtiefe in Bauteile üblicherweise zur volumetrischen Erwärmung benutzt. Die Eindringtiefe von Mikrowellen in Bauteile ist stark temperaturabhängig. Insbesondere bei dielektrischen Keramiken aber auch in (elektrisch leitfähigen) Plasmen sinkt sie mit steigender Temperatur sehr stark ab. Die Mikrowellenenergie wird also bei steigender Temperatur, relativ zu den Bauteilabmessungen gesehen, in einem immer kleiner werdenden Volumen deponiert. Bei der reinen Mikrowellenerwärmung wird dabei ein Temperaturprofil im Bauteil ausgebildet, welches von der Wärmeabfuhr und der Bauteilgeometrie gesteuert wird. Dabei kann es zur Ausbildung sogenannter hot spots kommen (lokal überhitzte Bauteilbereiche), welche das Produkt aus begrenzter Eindringtiefe und hoher Energiezufuhr darstellen [3]. Die hohe Zufuhr von Mikrowellenenergie zum Ort des hot spot im Sinne einer Energiesenke erfolgt spontan. Der Ort der Ausbildung des hot spot wird durch das sich natürlich einstellende Temperaturprofil des Bauteils bestimmt, was die Steuerung des Erwärmungsvorgangs erheblich erschwert. Die Kombination von Laser- und Mikrowellenerwärmung nach Patentanspruch 1 dient dem Zweck, die Vorteile beider Verfahren (Lenkbarkeit der Laserstrahlung und hohe Eindringtiefe der Mikrowellenstrahlung) zu kombinieren, wobei die Bewegung des hot spots auf dem Bauteil durch die Bewegung des Laserstrahls, welcher den hot spot generiert, oder des Bauteils selber, und die damit einhergehende erzwungene Focussierung und Steuerung der Mikrowellenenergie, welche bisher einer natürlichen Selbststeuerung unterlag, im Vordergrund steht. Dadurch wird nicht nur der Ort der Mikrowellendissipation gesteuert, sondern es können auch gezielt Modifikationen am Gefüge und den Eigenschaften des Bauteils (der Beschichtung) durchgeführt werden, welche durch die Anwendung der Einzelverfahren nicht erzielbar sind.
Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im Patentanspruch 4 oder 5 angegeben. Das Erzielen hoher Bauteildichten bei der Herstellung durch das selektive Lasersintern ist bisher nur begrenzt möglich [4], weshalb die Anwendung lasergesinterter Bauteile nur eingeschränkt erfolgen kann, z. B. mit geringer mechanischer Belastung oder nach aufwendiger Nachbehandlung. Die geringe Verdichtung der Bauteile ist eine Folge der Wärmebehandlung mit Laserstrahlung geringer Eindringtiefe, z. B. bei Verwendung eines CO2 Lasers. Dieser Nachteil kann durch die zusätzliche Dissipation von Mikrowellenenergie, z. B. der Frequenz 2,45 GHz, mit einer um den Faktor 1-100, vorzugsweise um den Faktor 10-50 höheren Eindringtiefe am Ort des Laserfocus durch die Vergrößerung der Wärmeeinflußzone ausgeschaltet werden, z. B. bei der Erwärmung von ZrSiO4.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im Patentanspruch 6 angegeben. Die Oberflächenbehandlung von Bauteilen im Mikrowellenplasma ist bereits bekannt [5]. Im Gegensatz zu bisher üblichen homogenen Plasmen, welche weit ausgedehnt sind im Vergleich zu den Bauteilabmessungen erlaubt die Ausführung nach Patentanspruch 6 jedoch die lokale Bauteilmodifikation durch die selektive Lasererwärmung mit gleichzeitiger Zündung eines Plasmas in der nahen Umgebung des Laserfocus. Da die Mikrowellenenergie auf einen kleinen Bereich focussiert wird, kann sie dort effektiver eingesetzt werden. Die Plasmabehandlung erfolgt nur in den vom Laser angesteuerten Bereichen, z. B. zum selektiven Ätzen einer keramischen Bauteiloberfläche.
Die Ausgestaltung der Erfindung nach Patentanspruch 7, 8, 9 oder 10 dient der Herstellung und Modifikation funktionaler Oberflächen/Beschichtungen aus der schmelzflüssigen Phase. Das Aufbringen von Beschichtungen durch Oberflächenschmelzen mittels Laserstrahlung ist bekannt [6]. Die Eigenschaften der Beschichtung sind jedoch im Wesentlichen abhängig von der Anbindung zum Substrat und der Ausrichtung der erstarrten Kristallite. Beides ist eine Funktion der Temperaturverteilung im Bauteil während des Schmelz- und Erstarrungsvorganges. Die Modifikation der Temperaturverteilung bei der reinen Laseranwendung wird begrenzt durch die gering Eindringtiefe der Strahlung, welche hauptsächlich nur die Oberflächentemperatur beeinflußt. Die zusätzliche Dissipation von Mikrowellenenergie verändert die Temperaturverteilung und damit die das Erstarrungsgefüge beeinflussenden Wärmeströme in einem wesentlich größeren Volumen unterhalb und neben dem Schmelzbad und kann deshalb lokal zur Modifikation der Bauteiloberfläche beitragen. Die Modifikation der Bauteiloberfläche kann sich z. B. in einer höheren Dichte, höheren Härte, höheren Thermoschockbeständigkeit oder in besseren Wärmedämmeigenschaften äußern, z. B. bei der Beschichtung eines metallischen Substrates, bevorzugt einer Nickelbasislegierung, mit einer keramischen Schicht, bevorzugt bestehend aus einer eutektischen Mischung, unter teilgerichteter Kristallisation der eutektischen Beschichtung.
Eine Erwärmungsvorrichtung im Sinne der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht in ihrer einfachsten Form aus einem Mikrowellenapplikator (33), und den zugehörigen Mikrowellenkomponenten (3, 32, 31), sowie einer Laserquelle (1), z. B. CO2 oder Nd-YAG, und den zugehörigen Laserkomponenten (11, 13) welche der Übertragung und Ablenkung oder Steuerung des Laserstrahls dienen. Das Bauteil (2) kann durch die Steuereinheit (6) in allen Raumrichtungen verfahren und gedreht werden. Bei der Bauteilherstellung wird pulverförmiges Material durch Pulverzuführungen (4, 4') zum Bauteil befördert und dort durch das gemeinsame Einwirken von Laser- und Mikrowellenenergie gesintert oder geschmolzen, wobei die zusätzliche Einstrahlung focussierter Mikrowellenenergie die Bauteilqualität verbessert. Ohne die Erzeugung eines künstlichen hot spots durch die Laserstrahlung auf der Bauteiloberfläche ist die Mikrowellenerwärmung nicht lokal steuerbar. Die Mikrowellenenergie wird durch den hot spot (21) angezogen und bevorzugt dort dissipiert. Die Bewegung des Laserstrahls auf der Bauteiloberfläche, und/oder die Bewegung des Bauteils bei stehendem Laserstrahl bietet also die Möglichkeit, die Mikrowellenenergie lokal bei hoher Energiedichte und dennoch hoher Eindringtiefe zur Bauteilherstellung zu benutzen. Die Zuführung von Schutzgas ist, z. B. bei oxidationsempfindlichen Pulvern, gezielt über Düsen (5, 5') oder durch Fluten des Applikators möglich. Bei den erfindungsgemäßen Verfahrensvarianten ohne Pulverzuführung durch offene Fenster kann der Applikator durch den Einbau von Fenstern (8, 8', 8", 8''') bei variablem Druck, z. B. bei Unterdruck betrieben werden. Diese Verfahrensvariante kann die Zündung eines Mikrowellenplasmas erleichtern, ohne jedoch vom Konzept der gesteuerten und lokalen Mikrowellenbehandlung abzurücken. Die Temperaturüberwachung (7) dient der Prozeßkontrolle. Die Einstellungen der Prozeßparameter wie Mikrowellenleistung, Laserleistung, Pulsdauer oder Bewegungsfolgen und Geschwindigkeiten erfolgt über eine oder mehrere Steuer und Regeleinheiten (9, 91).
Literatur:
[1] US5845480
[2] G. M. Butanov et. al.: Plasma Sources Sci. Technol. 2 (1993) 164-172
[3] G. A. Kriegsmann: Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 430 (1996) 181-186
[4] A. Lang: ECLAT, European Conference on Laser Treatment of Materials, Ed. by B. L. Mordike (1998) 421-430
[5] M. A. Liebermann et. al.: MRS Bullettin, August 1996, Volume 21, No. 8, 32-37
[6] U. Ritter et. al.: Surface Engineering (1992), Vol. 8, No. 4, 272-274

Claims (22)

1. Erwärmungsverfahren und Vorrichtung zur Erwärmung für Keramiken, Gläser, Metalle und Polymere oder Verbunden daraus zum Zwecke der Bauteilherstellung, Bauteilbearbeitung und Bauteilbeschichtung mittels Laserenergie, dadurch gekennzeichnet, daß die Lasererwärmung mit der Mikrowellenerwärmung in einer geeigneten Vorrichtung kombiniert wird, wobei die Anteile der Lasererwärmung und der Mikrowellenerwärmung variabel sind, jedoch der Ort der Mikrowellendissipation an einem Bauteil oder in der das Bauteil umgebenden Gasphase durch den Ort der Lasererwärmung gesteuert wird.
2. Erwärmungsverfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ort der Mikrowellendissipation an einem Bauteil oder in der das Bauteil umgebenden Gasphase durch externe Manipulation des Laserstrahls mit einer Ortsauflösung kleiner oder gleich der Ortsauflösung der Strahlsteuerung des Lasers und einer Geschwindigkeit kleiner oder gleich der Geschwindigkeit der Strahlsteuerung des Lasers gezielt zur Erwärmung und Modifikation ausgewählter Bauteilbereiche beiträgt.
3. Erwärmungsverfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ort der Mikrowellendissipation an einem Bauteil oder in der das Bauteil umgebenden Gasphase durch Bewegung des Bauteils bei feststehendem Laserstrahl oder durch Kombination aus Manipulation des Laserstrahls und Bauteilbewegung gesteuert wird.
4. Erwärmungsverfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dreidimensionale Bauteile, bestehend aus Metall, Glas, Polymer, Keramik oder Verbunden daraus, durch Lasererwärmung pulverförmiger Ausgangsstoffe unter zusätzlicher Dissipation von Mikrowellenenergie höherer Eindringtiefe am jeweils aktuellen Ort des Laserfocus, und somit unter Vergrößerung der Wärmeeinflußzone, durch Sinterung hergestellt werden.
5. Erwärmungsverfahren nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dreidimensionale Bauteile, bestehend aus Metall, Glas, Polymer, Keramik oder Verbunden daraus, durch Lasersintern pulverförmiger Ausgangsstoffe unter zusätzlicher Dissipation von Mikrowellenenergie höherer Eindringtiefe am jeweils aktuellen Ort des Laserfocus, und somit unter Vergrößerung der Wärmeeinflußzone, durch lokales Schmelzen hergestellt werden.
6. Erwärmungsverfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Bauteile, bestehend aus Metall, Glas, Polymer, Keramik oder Verbunden daraus, an der Oberfläche durch ausreichend intensive Laserstrahlung lokal auf eine so hohe Temperatur erwärmt werden, daß Bestandteile des Bauteils lokal in die Gasphase übergehen und durch Einwirkung der zusätzlich eingebrachten Mikrowellenstrahlung hoher elektrischer Feldstärke auf diese aus der erwärmten Zone des Bauteils stammenden Bestandteile der Gasphase die selektive Ionisierung des Prozeßgases in der näheren Umgebung des gewünschten, vom Laserstrahl gezielt ansteuerbaren Bauteilabschnittes auslösen, wodurch die Oberfläche des Bauteiles unter bevorzugter Wechselwirkung mit dem Mikrowellenplasma lokal und gezielt modifiziert wird.
7. Erwärmungsverfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine aus Metall oder Keramik bestehende Beschichtung eines Bauteils unter Einwirkung von Laserstrahlung geringer Eindringtiefe lokal vorgewärmt wird, durch zusätzliche Dissipation von Mikrowellenenergie höherer Eindringtiefe unter Vergrößerung der Wärmeeinflußzone am jeweils aktuellen Ort des Laserfocus aufschmilzt und teilgerichtet zur funktionalen Oberfläche des Bauteils erstarrt
8. Erwärmungsverfahren nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung ungerichtet erstarrt.
9. Erwärmungsverfahren nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Erstarrungsmorphologie durch die Wahl des Parameters Mikrowellenleistung gesteuert wird.
10. Erwärmungsverfahren nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung durch externe Zufuhr des pulverförmigen Beschichtungswerkstoffs im Moment der Erwärmung aufgebracht wird.
11. Erwärmungsverfahren nach Patentanspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung des Bauteils unter variabler Atmosphäre durchgeführt wird (Luft, oxidierend, reduzierend, Schutzgas).
12. Erwärmungsverfahren nach Patentanspruch 6, 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung des Bauteils auch unter variablem Druck durchgeführt werden kann.
13. Erwärmungsverfahren nach Patentanspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Möglichkeit besteht, Laserstrahlung verschiedener Wellenlängen, von UV bis IR, einzusetzen.
14. Erwärmungsverfahren nach Patentanspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Möglichkeit besteht, Laserstrahlung unterschiedlicher Pulsdauer oder im cw Modus einzusetzen.
15. Erwärmungsverfahren nach Patentanspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Möglichkeit besteht, Mikrowellenstrahlung verschiedener Wellenlängen, von 0,3-300 GHz, einzusetzen.
16. Erwärmungsverfahren nach Patentanspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Möglichkeit besteht, Mikrowellenstrahlung unterschiedlicher Pulsdauer oder im cw Modus einzusetzen.
17. Erwärmungsverfahren nach Patentanspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrowellenapplikator eine oder mehrere Moden beinhaltet und die Möglichkeit zur automatischen oder manueller Anpassung des elektrischen Feldes besteht.
18. Erwärmungsverfahren nach Patentanspruch 2, 3, 4, 5, 7, 8, 9, 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Prozeßgaszufuhr innerhalb und/oder außerhalb des Mikrowellenapplikators erfolgen kann.
19. Erwärmungsverfahren nach Patentanspruch 2, 3, 4, 5, 10, 11, 13, 14, 15, 16, 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulverzufuhr innerhalb und/oder außerhalb des Mikrowellenapplikators erfolgen kann.
20. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 19, mit einem Laser (1) und den Übertragungsmitteln (11) zur Vorwärmung des Bauteils (2), einem Mikrowellengenerator (3), den Übertragungsmitteln (31) und Feldanpassungsmitteln (32), sowie dem Mikrowellenapplikator (33), gekennzeichnet durch die Einspeisung des Laserstrahls (12) auf das im Mikrowellenapplikator befindliche Bauteil und eine Vorrichtung (4, 4') zur Zuführung von pulverförmigem Material zur Herstellung und/oder Beschichtung des Bauteils.
21. Vorrichtung nach Anspruch 20 mit Mitteln (6) zum Bewegen des Bauteils und/oder Mitteln (13) zum Bewegen des Laserstrahls und/oder Mitteln (41) zur Bewegung der Pulverzuführung und/oder Mitteln (51) zur Bewegung der Prozeßgaszuführung (5, 5') und/oder Mitteln (7) zur Bestimmung der Temperatur im lasererwärmten Bereich (21) und/oder der Temperatur des übrigen Bauteils (22) und/oder Mitteln (5, 5') zur Zufuhr des Prozeßgases und/oder Mitteln (8, 8', 8", 8''') zur Abdichtung des Applikators gegenüber der Atmosphäre.
22. Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21 mit einer Regel- und Steuereinrichtung (9, 91) zur Steuerung und/oder Regelung des Mikrowellengenerators und/oder der Feldanpassung und/oder der Lasereinrichtung und/oder der Bewegung des Bauteils und/oder der Bewegung des Laserstrahls und/oder der Messung der Temperatur und/oder der Bewegung von Teilen davon.
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