DE2813707A1

DE2813707A1 - Die modifikation von metalloberflaechen

Info

Publication number: DE2813707A1
Application number: DE19782813707
Authority: DE
Inventors: Daniel Santhamurthi Gnanamuthu
Original assignee: Avco Everett Research Laboratory Inc
Current assignee: Avco Everett Research Laboratory Inc
Priority date: 1977-03-28
Filing date: 1978-03-28
Publication date: 1979-02-01
Also published as: SE7803284L; FR2385810B1; CH632790A5; IT1102134B; IL54312A0; GB1583835A; FR2385810A1; IL54312A; IT7848599A0; CA1119479A; JPS53119732A

Description

NACHCERgICHT

Avco Everett Research Laboratory, Inc» Everett, Massachusetts, V. St ο Ao

Die Modifikation von Metalloberflächen

Die vorliegende Erfindung betrifft Oberflächenmodifikationen von bearbeiteten oder halbbearbeiteten niedrigschmelzenden reaktionsfähigen Metallteilen insbesondere aus Aluminium oder Magnesium in elementarer oder legierter Form und insbesondere die Erzeugung von geänderten physikalischen oder chemischen Eigenschaften auf bspw. gehärteten Metalloberflachen_o

Es gibt viele bekannte und seit langem angewandte Verfahren zur Verbesserung des Widerstands von Oberflächen bearbeiteter oder halbbearbeiteter Metalle (einschlo der Elemente, Legierungen und Verbindungen) gegen Abrieb, Festfressen, Verformung, Korrosion, Erwärmung und/oder Erosion - einschließlich eines Verfahrens, bei dem ein Substrat mit höherem Schmelzpunkt zur Erzeugung widerstandfähiger Oberflächen mit einem Laserstrahl angeschmolzen und mit einem Belag mit niedrigerem bzw. nicht

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- 6 wesentlich höherem Schmelzpunkt legiert wird.

Die US-PS 3o952.180 und 4„015_e100 der Anmelderin offenbaren Beschichtungs— bzw_o Oberflächenlegierungsverfahren, die bestimmte Probleme überwinden.. Die vorliegende Erfindung offenbart eine Verbesserung, die auf die Oberflächenverbesserung von niEdrigschmelzenden reaktionsfähigen Metallsubstraten gerichtet ist, indem man eine Beschichtung mit diesen mischt und/oder das Substrat schmilzt.

Es ist ein wesentliches Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Verbesserung des Abtriebswiderstandsschutzes und verwandter Verfahren anzugeben im Sinne eine Ausweitung der verfahrenstechnischen Möglichkeiten dieser Techniken, und/oder verbesserte Produkte zu schaffen. Desgl. soll eine Oberflächenbeschichtung mit hohem Schmelzpunkt mit einem niedrigeren schmelzenden Substrat zu einer modifizierten Oberfläche in hohem Volumenprozentanteil, doh. einschließlich mehr als 50 % des hochschmelzenden BeSchichtungsmaterials, vermischt werden.

Es ist ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Oberflächenbehandlung anzugeben, die tolerant gegenüber komplexer Teilegeometrie- einschließlich Einfaltungen und entferntliegender Oberflächenbereiche - ist.

Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, hochdichte und niedrigporöse modifizierte Oberflächenschichten

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herzustellen

Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Oberflächenbeschichtung zu schaffen unabhängig von den elektrischen oder magnetischen Feldbedingungen, die in dem bzw_o in der zu behandelnden Bereich bzw_o Flächen vorliegen oder im Yerlauf der Behandlung auftreten können.

Weitere Ziele der vorliegenden Erfindung sind, nach Auswahl und -menge billigen Substratwerkstoff und unter Begrenzung der verwendeten Henge zu verwenden, den Aufwand an Arbeit, Material und/oder die Dauer von Bearbeitungs- und/oder Erwärmungsschritten zur Oberflächenbehandlung zu verringern, für eine Flexibilität bei der Prozeßsteuerung zu sorgen, Zufallseffekte auf das Substrat unter der Oberflächenschicht gering zu halten, eine Oberflächenschicht mit wahlweise grobem in oder feinem Mikrogefüge herzustellen und minimale Bearbeitungs- sowie Vorbereitungsund Hachbehandlungszeiten für das Substrat zu erreichen O

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zur Herstellung eines Legierungsmantels als Oberflächenschicht,indem man einen vorgewählten Bereich eines Metallsubstrates mit einer Metallschicht bedeckt, wobei die Substratdicke derart ist, daß es eine im wesentlichen undendlich ausgedehnte Wärmesenke für die Beschichtung darstellt, und der Liquidus- bzw. Schmelzpunkt des Beschichtungsmetalls mindestens 200⁰O höher als der des Sub-

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strats ist, und dann das Gebiet mit einem Laserstrahl bei einer Geschwindigkeit und Leistungsdichte abtastet, die gemeinsam mit der Leitfähigkeit des gewählten Substratmaterials ein schnelles Aufheizen ergeben, einschlo eines Schmelzens der Beschichtung und des Substrates zu einer vorbestimmten Tiefe entsprechend dem Anteil in der Legierungsumkleidung in weniger als 2 see und eines schnelles Kühlens und erneuter Verfestigung der Schmelze, um so einen 99 % dichten Legierungsmantel zu bilden, in dem Teilchen des BeSchichtungsmaterials in einer Matrix eines Eutektikums des Beschichtungs- mit dem Substratmaterials vorliegen, das am Substrat metallurgisch diffusionsgebunden ist, wobei die Teilchen des ursprünglichen Beschichtungsmaterials im Mantel nach oben je konzentrierter sind.

Die Erfindung schafft weiterhin ein Verfahren zur Kornverfeinerung, indem man eine Metalloberfläche mit einem Dauerstrichlaser mit mehr als 20 kW/cm Leistungsdichte mit hoher Auslenkgeschwindigkeit abtastet, um eine Schicht von 0,125 bis 3 mm Dicke innerhalb zwei Sekunden zu schmelzen und erneut zu einer kornverfeinerten Oberflächenschicht zu verfestigen, wobei die Korngröße um mindestens den Faktor 10 abgenommen hat.

Die Erfindung kann ausgeführt werden, indem man mit hochschmelzenden Verstärkungskomponenten beschichtet, um das Substrat in einer Oberflächenschicht zu verstärken«, In diesem Fall schmilzt man die Beschichtung und eine Oberflächenschicht des Substrats auf eine vorbestimmte Tiefe des letzteren durch

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Beaufschlagung mit einem fokussierten Energiestrahl auf begrenzte Oberflächenbereich in der Größenordnung von 0,65 bis 452 mm² (0,001 bis 0,7 sq.in_o) und lenkt den Strahl und die Oberfläche relativ zueinander aus, um nacheinander zu schmelzen und wieder zu verfestigen bis zu einer im wesentlichen konstanten Tiefe und Breite unter im wesentlichen gleichmäßigen Bedingungen während der gesamten Abtastung, um ein gewünschtes Muster der Oberflächenmodifikation auszubilden. Das Werkstück wird dabei gut abgeschirmt, um eine Oxidierung der geschmolzenen Oberflächenschicht zu verhindern_o Die Schmelzbedingungen werden kontrolliert, um eine Zwangsdurchmischung und eine konvektive Strömung des geschmolzenen BeSchichtungsmaterial und des geschmolzenen Substratmaterials zu erreichen_o Jeder derart behandelte Bereich wird weniger als 2 see. und vorzugsweise weniger als 1 see. lamg im geschmolzenen Zustand gehalten; dabei stellt das Substrat für den geschmolzenen Bereich (bzw. die geschmolzenen Bereiche) eine sehr große Wärmesenke dar, die eine schnelle Verfestigung beim Entfallen des auftreffenden Energiestrahls gewährleistet. Die hohen Abkühlgeschwindigkeiten während der Abkühlung einer Laserschmelze, die vergleichbar sind mit denen, die bisher nur mit Klatschkühlverfahren erreichbar waren, sind ausführlicher in dem Aufsatz von Elliot u_oa_o, "Rapid Cooling by Laser Melt Quenching" in Applied Physics Letter, Vol. 21, No. 1, S₀ 23-25, JuIi 1972 erörtert. Es liegen jedoch Einschränkungen für ein quantitative Behandlung dieses Gegenstandes infolge solcher Phänomene vor, wie eine durch die Verdampfung von niedrig siedenden Bestandteil-

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en eines Legierungsmetalls künstlich verursachte Porosität; verglo hierzu bspwo Gagliano u.a_o, "Lasers in Industry", Vol. 57 IEEE Proceedings, No. 2, 1969, S. 114 - 14-7, speziell S₀ 123. Bei der Erfindung entstehen kristalline Mikrogefüge im Gegensatz zu den amorphen Strukturen beim Klatschkühlen.

Das Verfahren wird vorzugsweise bei atmosphärischem oder überatmosphärischem Druck (um das Verdampfen von Mischungsbestandteilen zu unterdrücken und ie Vorrichtungs-, Sauberkeits- und Einrichtanforderungen des Behandeins unter Unterdruck zu umgehen) und unter einem Schutzgas durchgeführt.

Die Übergangszone der Energiebeaufschlagung zum Schmelzen läßt sich örtlich mit 100 - 1000 Hz verschwenken, um das Durchmischen der Bestandteile weiter zu fördern_o Hierzu kann man den Energiestrahl entsprechend örtlich auslenken und/oder die Strahlkontur ändern - bspw. durch Umschalten einem zwischen Rechteck- und einem Rundprofil.

Der Legierungsmantel kann mit einem Dauerstrichlaser mit höherer Geschwindigkeit als im ersten Verfahrensschritt erneut abgetastet werden, um das Korn des Legierungsmantels weiter (um einen Faktor von 10 oder mehr) au verfeinern. Diese Kornverfeinerung kann auch auf das Substrat selbst angex^andt werden.

Die vorliegende Erfindung verwendet Dauerstrichlaser, wie sie in den US-PSn 3-702.972, 3.721=915, 3.810.045, 3.713.030,

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- 11 3.848o104 und 3o952.180 beschrieben sind.

Infolge des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung läßt sich ein Teil nun aus einem Grundmetall herstellen, das man nach Gesichtspunkten der Kosten und/oder chemischen Eigenschaften auswählt und dessen Arbeitsoberfläche man dann modifiziert, um ihr die für eine spezielle Anwendung erforderlichen Eigenschaften zu erteilen - bspw. Härte, Festigkeit oder Duktilität bei hohen Temperaturen, Verschleißfestigkeit oder Korrosionswider st and.

Diese und andere Ziele, Besonderheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich weiterhin aus der folgenden ausführlichen Beschreibung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen ο ·>

Figo 1 ist eine Skizze, die eine behandelte Oberfläche vor und nach der Behandlung nach der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt;

Fig. 2 und 3 sind 100-fach vergrößerte Gefügebilder eines nach Fig. 1 behandelten Gegenstandes, während Figo 6 ein 2000-fach vergrößerter Ausschnitt aus Figo 2 ist:

Fig. 4 und 5 sind Tiefenprofile der Zusammensetzung bzw. Härte in der behandelten Oberfläche; und

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Fig. 7 und 8 Gefügebilder in 500-facher Vergrößerung sind, die einen weiteren Aspekt der Verwendung der vorliegenden Erfindung zeigen_o

Die Fig. 1 zeigt ein Grundmetallsubstrat S wie einen Ventilsitz, Lagerring oder derglo aus Aluminium oder Magnesium (elementar oder legiert) mit einer PuIverbeschichtung PC, die locker ist mit einem flüchtigen Binder zusammengehalten wird, halbgesintert ist oder durch Plasma— oder Flammspritzen oder Aufstreichen mit einem flüchtigen Binder und Vortrocknen aufgebracht wird, um die Beschichtung aus hochschmelzendem Material zu trocknen Die Beschichtung kann als Punkt oder Streifen in regelmäßiger geometrischer Form oder als unregelmäßiges Muster aufgebracht sein, wie es der Anwendungsfall erfordert. In einem Arbeitsbeispiel wurde der Pulverstreifen PG aus lockerem Pulver zu einer Breite von 6 mm und einer Höhe von 1,5 mm sowie einer Porosität von etwa 50 % aufgebracht. Ein Laserstrahl mit einem Strahldurchmesser D von weniger als der Breite von PC wurde längs über den Streifen ausgelenkt, um diesen und das Substrat au einer begrenzten Tiefe zu schmelzen (weniger als to& der PC-Dicke). Die geschmolzene Metall verfestigt sich nach dem Vorbeilauf des Laserstrahls durch den Wärmeübergang auf das als Wärmesenke wirkende hochleitfähige Substrat»

Hierbei bildete sich ein verfestigter Verbundmantel PC mit einer Höhe (WP-) über der Oberfläche des Ausgangswerkstücks, die größer war als die Höhe der ursprünglichen Pulverschicht,

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und mit einer Tiefe (WP+) unter der Oberfläche des Ausgangs-Werkstücks, die geringer war als die Hälfte von (WP-)_o Eine Zone Z aus kornverfeinertem Substratmaterial geringerer Dicke als die mittlere Dicke des Mantels erscheint anschließend an diesen selbst_o

Wo die Beschichtung gesindert bzw_o auf andere Weise voraglomeriert und mechanisch oder sonstwie mit dem Substrat verbunden ist, entspricht die endgültige Form des Mantels C (bei geringer Schrumpfung) der ursprünglichen Form der Schicht PC.

Innerhalb des Mantels liegen große Teilchen zu etwa 70 YoI,-% in einer etwa 30 Vol-%igen Matrix aus Silizium-Aluminium-Eutektikum (Durchschnitt) vor, wobei das Silizium im (WP-)-Bereich des Mantels stärker konzentriert ist als im WP+)-Bereich.

Die Figo 2 und 3 sind 100-fach vergrößerte Schnitte der oben angegebenen Beispiele f+r die praktische Aufbringung einer Schicht aus elementarem Silizium auf ein Substrat aus Al-Legierung (AA390) in Form einer Gußplatte von 12,7 mm (1/2 in.) Dicke, das mit einem f/21-Laserstrahl von 5»08 mm (0,2 in.) bei 4,3 kW Leistung mit einer Geschwindigkeit von 508 mm (20 in.) behandelt wurde_o Die Schnitte der Fig. 2 und 3 wurden an den in Fig. 1 gezeigten Stellen genommen. Die Fig. 2 besteht aus zwei aneinandergeklebten Schnittbildern, um eine größere Tiefe zu erfassen.,

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Figo 6 ist eine 2000-fache Vergrößerung aus einem Bereich mit hoher Siliziumdichte des Gefügebildes der Fig. 2.

Fig. 4 und 5 zeigen das Gefälle des Siliziumanteils und damit der Härte von der Oberfläche des Mantels abwärts über deren Tiefe, und zeigt im (WP+)-Bereich der Schichttiefe eine allmähliche Änderung von mehr als 20 %_o

Bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung wird ein Laserstrahl von 1 bis 20 kW auf einen Kreis von 0,5 bis 17»8 mm (0,02 - 0,7 in_o) Durchmesser bzw. eine etwa gleichgroße Fläche anderer Gestalt (bspw_o Quadrat oder Rechteck) fokussiert und mit einer Geschwindigkeit von 0,127 bis 12,7 m/min über die zu behandelnde Oberfläche gelenkt, wobei diese Bedingungen im Mittel so eingestellt sind, daß sich eine geringfügig (um etwa 20 % höhere Leistungsdichte ergibt als man braucht, damit ein niedrigschmelzender Überzug in das gleiche Substrat bei hoher (mehr als 50 gewichtsprozentiger) Verdünnung des Beschichtungsmaterials einschmelzan kann, und eine wesentlich höhere (um etwa 40 %) Leistungsdichte, als man verwenden würde, um eine Beschichtung ohne xvesentliche Änderung ihrer Zusammensetzung auf das Substrat aufzukaschieren ("to clad")_e Typische Verweilzeiten im geschmolzenen Zustand für einen gegebenen Bereich der Oberflächenschicht betragen 0,1 bis 1,0 see, während die Kühlzeiten für den geschmolzenen Bereich auf 50 % oder weniger als die geltende Solidustemperatur für die dort vorliegende Legierungszusammensetzung im wesentlichen gleich der

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Aufwärmzeit sein soll. Während des Schmelzens verursachen thermische Gefälle allein eine wesentliche Durchmischung der Bestandteile der Beschichtung mit der geschmolzenen Oberflächenschicht. Zusätzlich wird durch den hochenergetischen Behandlungsstrahl vermutlich eine Druckwelle verursacht, die eine kräftiges Durchmischen in einem konvektiven Umlaufvorgang weiter fördert, bei dem das Material schätzungsweise 50 Ms 200 mal um einen gegebenen Punkt innerhalb der Dauer herumläuft, in der es sich dort um geschmolzenen oder halbgeschmolzenen Zustand befindete Während die großen Siliziumteilchen (bzw. Teilchen einer anderen hochschmelzenden Phase) ausfällen, setzt der konvektive Umlaufvorgang sich in der so aufgebauten Aufschlämmung fort, bis die Aluminium-Silizium-Matrix erstarrt. In der Zwischenzeit wachsen die anfänglich ausgeschiedenen Siliziumteilchen auf große Korngröße an - möglicherweise durch Koaleszenz (40 bis 100 Mikrometer Breite und Seitenverhältnis von 2 bis 5)·

Der oben beschriebene Laserstrahl kann mit einer Dauerstrichlaserapparatur erzeugt und manipuliert werden, wie sie in den US-PS 3o721.915, 3o702.973, 3.577=096 und 3»713.Ο3Ο bekannt ist ο

Wie in den oben genannten Patentschriften beschrieben, kann man eine Energie absorbierende Unterschicht unter der Pulverschicht PC verwenden_e

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Damit die Schmelze nicht oxidiert, wird ein Schutzgas eingesetzt, Typischerweise verwendet man hierzu eine Heliumströmung von 0,283 nr/k (10 cuoft./hr.) bei einer Laserauslenkgeschwindigkeit von 0,508 mm/min, und eine nachlaufende Argonströmung von ebenfalls 0,283 rn^/h (10 cuft_o/hr.) ein.

Es sind ein Oberflächenmodifikationsverfahren sowie das resultierende Produkt beschrieben worden, die die vorgehend aufgeführten Ziele zu erreichen gestatten. Die Behandlungszeit ist sehr kurz, während der Kosten- und apparative Aufwann gering sind. Die Strömung der Eigenschaften des Substratteils unter der kornverfeinerten Zone desselben ist minimal. Legierungsoder Verbundmäntel werden ausgebildet, indem man Minoritäts.-komponenten des Substrats in ein Verstärkungsmaterial einzieht, indem der ausgebildete Mantel eine hochdichte (99>9 %) Matrix mit 0,1 bis 10 Gew_o-% sekundärer Teilchen des ursprünglichen BeSchichtungsmaterials in der Matrix aus kornverfeinertem Substratmaterial aufweist.

Andere Schmelzstoffe (Schelz- oder Liquidustemperatur höher als 1000°C7, sich als Beschichtung auf Aluminium- oder Magnesiumsubstraten nach der vorliegenden Erfindung verwenden lassen, sind die elementaren und legierten !Formen der Metalle Mo, W, Gr, V, Hf, Zr, Pe, B, Be, Ni, Co, Ta, Cb, Ti, Pd, Th, Rh, Re, Os, Ir, Pt, Cu, Au und Mn und auch keramische und feuerfeste Werkstoffe· Die Beschichtung muß gegossen oder bearbeitet oder sowie sonstwie eine hochdichte konsÄlidierte Struktur sein -

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bspw. Draht oder Blatt - anstelle der Pulver- oder anderen porösen und Schwammformen₀

Durch Einsatz der vorliegenden Erfindung können die Substrate aus einfachem Werkstoff und daher billiger hergestellt werden, wenn eine bestimmte Anforderung - bspw. Kalthärtbarkeit und/ oder höhere Dichte - gefordert ist für eine Oberfläche wie einen Ventilsitz in einem Aluminiumzylinderkopf und Ringnuten in Aluminiumkolben für Yerbrennungskraftmotoren_o

Aluminium hat eine Leitfähigkeit von 0,53 cal/cm.sec.°G, Magnesium von 0,36 cal/cm.seCo°C; ihre Legierungen liegen im gleichen Bereich. Derzeit wird die Erfindung auf Substrate mit einer Leitfähigkeit von mehr als 0,25 cal/cm.sec.°C und Schmelzpunkten von 400 bis 800 G (bzw. Liquidustemperaturen bei Legierungen) bzwo einer Leitfähigkeit angewandt, die ausreicht, um eine angemessene Leitfähigkeit für das Verhindern des Schmelzvorgangs unterhalb einer vorgewählten Substrattiefe und ein begrenztes Kornwachstum der höher schmelzenden und daher zuerst ausgefällten Phase (bspw. Silizium in einem Silizium-Aluminium-J-Mantel) zu gewährleisten.

Der Mantel des resultierenden Produkts ist einzigartig in seinem hochdichten und festhaftenden Mikliogefüge und der metallurgischen Diffusionsbindung im Vergleich zu Flamm- oder Plasmaspritz- oder anderen Behandlungsverfahren und Produkten nach den Stand der Technik.

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Das Besehiehtungsmaterial hat einen Schmelz- oder Liquiduspunkt von 1OOO C oder mindestens 200⁰G und vorzugsweise wesentlich mehr als dem des Substrats.

Wach einem weiteren Aspekt des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung zeigt ein mikroskopisches HärtewTiefenprofil, das in sehr kleinen Tiefenschritten aufgenommen wird, drastisch unterschiedliche Härtewerte, d_oh. viele abwechselnde Täler und Spitzen, wobei die Primärteilchen des Siliziums oder anderen Beschichtungsmaterials eine höhere Härte (auf einer höheren Rockxvellskala) aufweisen als die zwischenliegenden Bereiche des Grundmat er i a1s _o

Die Erfindung kann weiterhin zur Kornverfeinerung eines Substrats unabhängig von der Ausbildung eines Mantels aus einer aufgebrachten Beschichtung eingesetzt werden_o

Guß- und Schmiedeteile weisen normalerweise Einschlüsse wie intermetallische Verbindungen, Oxide und Sulfide und auch Poren auf. Befinden diese Defekte sich nahe der Oberflächen, können sie zu Beeinträchtigungen der Dauerfestigkeit, des Korrosionswiderstandes und der Verschleißfestigkeit eines Werkstücks führeno Wan will also an für gewünschten Stellen der Oberfläche eine gewünschte Kornstruktur und eine gleichmäßigere chemische Zusammensetzung herstellen,. Ist bspw, ein kleiner Teil eines größeren Werkstücks hohem Verschleiß und/oder starker Korrosion sowie Ermüdung ausgesetzt, ist es erwünscht, dort für ein fei-

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nes Komgefüge sowie gleichmäßig dispergierte Legierungseinschlüsse sorgen zu können_o

Mit den Technologien des Standes der Technik läßt sich eine Kornverfeinerung durch geeignete Thermomechanische Behandlung erreichen, die natürlich im festen Zustand ausgeführt wird_o Der Vorgang benötigt daher mehrere Stunden und sehr große Energiemengen. Weiterhin erfaßt nach dem bekannten Verfahren die Kornverfeinerung das gesamte Werkstück.

Man kann auch eine verfeinerte Struktur erreichen, wenn man mit einem Dauerstrichlaser die Oberfläche abtastete Dabei wird der Strahl so gesteuert, daß sich ein schnelles Schmelzen, gefolgt von einem schnellen Verfestigen ergebene Da dieser Vorgang im flüssigen Zustand erfolgt, ist er wesentlich schneller.

Die Oberfläche eines billigen Werkstücks läßt sich mit einem Laserstrahl örtlich bis zu einer vorbestimmten Tiefe schmelzen; auf diese Weise kann man die Oberflächentemperatur auf 200 bis 4-00⁰C über den Schmelzpunkt bringen. Die überhitzte Schmelze an der Oberfläche löst Einschlüsse und wird chemisch homogen, während - was wichtiger ist - die Masse des Werkstücks sich auf Raumtemperatur befindet. Infolge des raschen Wärmeentzugs aus der Schmelze (das gesamte Aufheizen und Abkühlen auf 50 % des Schmelzpunktes erfolgt innerhalb zwei Sekunden) findet auch die Keimbildung des Feststoffes aus der Flüssigkeit mit sehr hoher Geschwindigkeit statte Bevor die Keime wesentlich anvrach-

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sen können, ist die gesamte Flüssigkeit vollständig erstarrte Man erhält so eine feindendritische Struktur aus feinen Einschlüssen, iuch ist die chemische Zusammensetzung der Struktur gleichmäßiger als vor der Behandlung_o

Als Beispiel wurde eine Aluminiumlegierung AA 39O mit großen Primärsiliziumeinschlüssen behandelt, indem die Oberfläche zu einer Tiefe von etwa 1 mm mit einer Laserstrahldichte von 2758

ρ
kW/Cm bei einer Behandlungsgeschwindigkeit von 0,508 m/min (20 in_o/min_o) geschmolzen wurde; die Strahlverweilzeit betrug dabei 0,4 bis 0,5 see Schätzungsweise betrug die Kühlgeschwindigkeit nahe dem Erstarrungspunkt der Legierung 10^ - 10 C/sec auf der Grundlage der Größe der Dendritenarmabstände, d.h. etwa 5/um_o Da die Aluminiumoberfläche einen sehr hohen Reflexionsgrad für Laserlicht einer Wellenlänge von 10,6/tarn hat, wurde sie mit einer Energieabsorbierenden Substanz durch Behandeln in einer etwa 10%igen Natriumhydroxidlösung für etwa 10 min beschichtet, so daß sich eine schwarze Oxid- bzw. Hydroxidschicht ergabt. Vor der iveiteren Behandlung wurden die beschichtete Oberfläche mit kaltem Wasser gespült und getrocknete

Die Gefügebilder Fig. 7 "und 8 zeigen den Zustand der Oberfläche des Werkstücks (einer im Mittel etwa 1 mm dicken Schicht) vor und nach der Behandlunge Vor der Behandlung lassen sich winklige Primärsiliziumteilchen mit Größen bis zu 60/um gemeinsam mit dem. Aluminium-Silizium-Sutektikum erkennen; die behandelte Fläche des Werkstücks zeigt eine gewisse Hauhigkeit· Nach der Behand-

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lung enthält das Gefüge feine winklige Siliziumteilchen einer Größe von 1 bis 4-yum, die gleichmäßig im Al-Legierungsgrundmaterial dispergiert sind; die Rauhigkeit der Kante ist vollständig verschwunden.

Im allgemeinen läßt die Behandlung sich auf 0,125 bis 3 mm, vorzugsweise etwa 1 mm dicke Oberflächenschichten anwenden, wobei man Verweilzeiten des Strahls von weniger als einer Sekunde, vorzugsweise eine halbe Sekunde, verwendete Diese Verweildauer gilt nicht für einen unbewegten Strahl; sie gibt die Geschwindigkeit eines sich stetig bewegenden Strahls und den Strahldurchmesser wieder, wobei der Strahl auf die zu behandeln-

p de Oberfläche mit einer Leistungsdichte von 5 - 100 kW/cm auftrifft· Die Behandlungsleistung wird auf das jeweilige Metall und die gewünschte Schmelztiefe abgestellt. Wie oben beschrieben, wird in Verbindung mit einem hochschmelzenden Belag ein Schutzgas verwendet.

Die Kornverfeinerung läßt sich als zweiter schritt nach dem ersten Schritt der Ausbildung eines Mantels durchführen, wie er oben in Verbindung mit den Fig. 1 bis 6 beschrieben ist. Beim erneuten Abtasten mit einem Laserstrahl erhält man eine noch kürzere Aufheiz- und Abkühlzeit als bei der ursprünglichen Mantelausbildung, so daß sicheine weitere Kornverfeinerung des fertigen Produkts im Faktor 10 ergibt. Hierbei wird vorzugsweise eine höhere Schwenkgeschwindigkeit und/oder geringere Leistungsdichte des Laserstrahls als im ersten Durchgang

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angewandt und ergänzt durch den besseren Wärmeübergang durch die metallurgische Bindung des Mantels am Substrat (im Vergleich zu den Grenzflächenbedingungen des Wärmeübergangs, die man im ersten Schritt findet)_o

Es ist ersichtlich, daß der Fachmann aufgrund der vorgehenden Offenbarung zahlreiche Anwendungen und Modifikationen bzw. Abwandlungen der hier beschriebenen speziellen Ausführungsformen finden kann, ohne die Erfindung zu verlassene Folglich soll die Erfindung sämtliche in den hier offenbarten Vorrichtungen und Verfahr ensx^e is en enthaltenen neuartigen Merkmal hzvio neuartigen Merkmalskombinationen umfassen.

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L e e r s e i t e

Claims

NACKCEREJCHT

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A 1688

Pat ent anspräche

Verfahren zur Herstellung einer Oberflächenmantelschicht aus einer Ledierung, dadurch gekennzeichnet, daß man einen vorgewählten Bereich eines Metallsubstrats mit einer Metallschicht bedeckt, wobei die Dicke des Substrats derart ist, daß es relativ zur Beschichtung eine im wesentlichen unendliche Wärmesenke darstellt, und der Liquidus- oder Schmelzpunt des Beschichtungsmetalls mindestens 20O⁰C höher als der des Substrats ist, und dann den Bereich mit einem Laserbeam bei einer Geschwindigkeit und einer Leistungsdichte abtastet, die gemeinsam mit der Leitfähigkeit des gewählten Substratmaterials ein schnelles Aufheizen und Schmelzen der Beschichtung und des Substrats zu einer vorbestimmten Dicke entsprechend dessen Anteil des Legierungsmantels in weniger als zwei Sekunden und eine schnelle Abkühlung und Verfestigung der Schmelze zu einem 99 % dichten Legierungsmantel bewirken, wobei Teilchen des Beschichtungsmaterials in einer Matrix eines Eutetktikums des Beschichtungs- und des Substratmaterials vorliegen, das metallurgisch an das Substrat diffusionsgebunden ist, und die Teilchen des ursprünglichen Beschichtungsmaterials nach oben in dem Mantel konzentrierter sind ο

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ORKSrNAL JMSPECTED

2· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Bedingungen so kontrolliert, daß sich angrenzend an den Mantel eine kornverfeinerte Substratschicht ergibt.

3· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Substrat um ein Metall oder eine Legierung handelt, dessen bzw. deren Schmelz- oder Liquidustemperatur bei 400 bis 80O⁰C liegt, und daß es sich bei der Beschichtung um ein Metall oder eine Legierung handelt, dessen bzvr_o deren Schmelz- bzw_o Liquiduspunkt über 1000 C liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 3i dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Substrat um Aluminium oder Magnesium oder eine Legierung beider handeIt₀

5ο Verfahren nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Beschichtungsmaterial um elementares Silizium, Eisen, Nickel, Kobalt, Molybdän, Wolfram, Chrom, Vanadium, Zirkon, Hafnium, Tantal, Columbium, Titan, Bor, Beryllium, Palladium, Rhodium, Rhenium, Iridium, Platin, Kupfer, Gold, Mangan oder Osmium oder eine legierte Form eines der oben genannten Metalle handelt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Beschichtungsmaterial um elementares Silizium, Eisen, Nickel, Kobalt, Molybdän, Wolfram, Chrom, Vanadium, Zirkon, Hafnium, Tantal, Columbium, Titan, Bor, Beryllium,

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Palladitim, Rhodium, Rhenium, Iridium, Platin, Kupfer, Gold, Mangan oder Osmium oder eine legierte Form eines der oben genannten Metalle handelte

7ο Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß es sich "bei dem Substrat um Aluminium und der Beschichtung um Silizium handelt·

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ursprüngliche Belag eine Dicke von 0,25 bis 2,54- nun. (10 100 mils)hato

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ursprüngliche Belag in konsolidierter Form vorliegt.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ursprüngliche Beschichtung in Form eines lockeren Pulvers vorliegt«,

ο Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5j dadurch gekennzeichnet, daß man den Mantel erneut schnell mit dem Laserstrahl abtastet, um ihn erneut und schneller zu schmelzen und zu verfestigen, so daß die Größe der Teilchen sich um einen Faktor von mindestens 10 reduziert.

12o Kornverfeinerungsverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Metalloberfläche mit einer DauerStrichlaserstrahl bei

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einer Leistungsdichte von mehr als 20 kW/cm und hoher Ablenkgeschwindigkeit abtastet, um eine 0,125 bis 3 mm dicke Schicht innerhalb von zwei Sekunden zum schmelzen und wieder zu verfestigen und so eine kornverfeinerte Oberflächenschicht zu erzeugen, in der die Korngröße um einen Faktor von 10 reduziert isto

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