DE3936479A1 - Verfahren zur erzeugung von schutzschichten auf materialoberflaechen mittels laserstrahlung - Google Patents

Verfahren zur erzeugung von schutzschichten auf materialoberflaechen mittels laserstrahlung

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Description

Gegenstand der Erfindung ist ein neues Verfahren zur Erzeugung von Schutzschichten auf Materialoberflächen mit Laserstrahlen. Diese im wesentlichen zur Randschichtveredelung vorgesehene Technik wird als 2-stufiges Verfahren angewandt. Im 1. Schritt wird der Zusatzwerkstoff (pulverförmig) mit Hilfe eines flüssigen Trägermediums appliziert, danach erfolgt im 2. Schritt die thermische Umwandlung mittels Laserstrahlung.
Stand der Technik sind verschiedene Beschichtungsverfahren in Kombination mit dem Laser. Unterschieden werden 1- und 2-stufige Verfahren. Betrachtet man zunächst das 2-stufige Verfahren zum Beschichten von Bauteiloberflächen, so besteht dieser Prozeß aus einem thermischen Aufspritzen von Pulvern, die dann anschließend mit dem Laserstrahl umgeschmolzen und endverdichtet werden. Die Beschichtung erhält zusätzlich einen Schmelzverbund zur Substrat­ oberfläche (B. L. Mordike, H. W. Bergmann "Surface alloying of tool steels by laser or electron beam melting", Z. Werkstoff­ technik, 1981, 12, 142). Dieses Verfahren ist sehr kostenintensiv, da es zwei Arbeitsschritte verlangt (Plasmaspritzen und Laser­ oberflächenumschmelzen). Das 1-stufige Verfahren des Laserpulver­ spritzens, wie es W. M. Steen und V. M. Welrasinghe im Artikel "Laser cladding with pneumatic powder delivery" in Applied laser tooling ISBN 90-247-3486-X beschrieben haben, ermöglicht das direkte Einspritzen des Pulvers in den Laserstrahl. Beide Verfahren benötigen ausreichend lange Prozeßzeiten, d. h. langsame Bearbeitungsgeschwindigkeiten, um eine homogene, nahezu porenfreie Beschichtung herstellen zu können.
Aufgabenstellung für uns war daher die Entwicklung eines univer­ sellen kommerziell kostengünstigen Verfahrens, welches eine steuerbare Schichtstärke bei flächendeckendem Auftrag erlaubt und gleichzeitig in dem Zusatzwerkstoff alle Variationen er­ möglicht. Die Verwendung des Materials in Pastenform erlaubt den Einsatz aller Zusatzwerkstoffe, die sich in Pulverform herstellen lassen.
Ferner erlaubt dieses 2-stufige Beschichtungsverfahren die Auf­ tragung an komplizierten Bauteilen, wie z. B. dünnere Rohr­ innenflächen.
Prinzipiell ist der Auftrag aller karbidischen, nitridischen, boridischen und oxidischen Zusatzwerkstoffe möglich. Die Zusatz­ werkstoffe werden mittels einem organischen/metallorganischen Bindemittel in einen flüssigen/pastenförmigen Zustand überführt. Diese Stoffgemische können nunmehr mit allen üblichen, definierte Schichtstärken erlaubenden Auftragungsverfahren appliziert werden, wie z. B. alle Zerstäubungs-, Gieß-, Tauch-, Walz- und Druckverfahren. Der Vorteil des jeweiligen Applizierungsverfahrens ist der Auftrag über weite Schichtstärkenbereiche, wobei zwischen µ und mm, gearbeitet werden kann.
Die angefertigten Schichten trocknen physikalisch oder chemisch vernetzend. Strahlenhärtende Wärmeverfahren forcieren die Aushärtung.
Die applizierten Schichten können je nach resultierender Mol­ masse in Lösemittel lösliche oder mehrdimensional vernetzte Körper von großer chemischer/mechanischer Widerstandsfestigkeit sein.
Als Bauteiloberfläche eignen sich metallische und keramische Oberflächen.
Das beanspruchte Verfahren zur Erzeugung von flächendeckenden Oberflächenschichten verknüpft die schichtbildende Applikation (z. B. Spritzauftrag) mit der thermischen Umschmelzung der aufgetragenen Materialien.
Folgende Prozeßparameter des Lasers sind für den thermischen Arbeitsprozeß leistungsbestimmend:
Laserleitung:
- Brennweite und Fokusabstand
- Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahles
- Energieverteilung im Laserstrahl (z.B. Multimode, TEM₀₀)
- bei flächiger Bearbeitung der Versatz, d.h. die Überlappung der Einzelspuren
Paste:
- Art des Binders
- Pulver (chem. Zusammensetzung, Pulververteilung und -form)
- Verhältnis Binder/Pulver
- Härtungszeit der Beschichtung
- Konsistenz der Paste
- Schichtdicke
- Schutzgas
Die von uns vorgeschlagene Methode ermöglicht die Beschichtung kompliziertester Bauteilgeometrien, wie z. B. Rohrinnenflächen und führt zu den bekannten Vorteilen der Laseroberflächenbe­ handlung; wie die schnelle Abschreckung durch den kalten Grund­ werkstoff, homogene steigerungsfreie Erstarrung und die Erzeugung dünner Schichten. Aus diesen Vorzügen resultiert ein nahezu verzugfreies Härten bei geringer Wärmebelastung des umgebenden Materials.
Patentbeispiele: 1) Stahlsubstrat mit Al-haltigem, metallorganischem Binder
Durch Laserumschmelzen nach den Versuchsbedingungen von Nr. 1 (siehe Tab. 1) gelingt es, eine Schichthärte von 840 HV0,3 zu erzielen. Die Binderschichtstärke beträgt ∼112 µm. Die Umschmelz­ tiefe beträgt 380 µm. Dies bedeutet eine Härtesteigerung um das 6,5-fache, die Ausgangshärte beträgt 133 HV0,3.
2) Stahlsubstrat mit einer metallorganisch gebundenen Beschichtung aus 65% Fe- und 24% Al2O3-Pulver
Das Laserumschmelzen nach den Versuchsbedingungen von Nr. 2 führte zu porenfreien Schichten mit einer Härte von 895 HV0,3. Die Beschichtungsdicke oberhalb der Substratoberfläche beträgt 150 µm.
3) Stahlsubstrat mit einer metallorganisch gebundenen Beschichtung aus 80% W und 20% Al2O3
Das Laserumschmelzen nach den Versuchsbedingungen von Nr. 3 führte zu porenarmen und rißfreien Schichten mit einer Härte von 1097 HV0,3. Die Beschichtung beträgt ∼200 µm oberhalb der Substratoberfläche und ∼200 µm unterhalb dieser Grenze. Die Beschichtung ist 1550 µm breit.
4) Stahlsubstrat mit einer metallorganisch gebundenen Beschichtung aus 62,5% W und 37,5% WC+Co
Die Versuchsbedingungen entsprechen Nr. 4. Die Spurbreite beträgt 713 µm und ist 490 µm dick. Die Härte liegt bei 1475 HV0,3.
5) Titansubstrat mit einer metallorganisch gebundenen Beschichtung aus 80% Fe und 20% Al2O3
Das Laserumschmelzen nach den Versuchsbedingungen von Nr. 5 führte zu porenarmen und rißfreien Spuren. Die Schichtstärke beträgt 530 µm nach dem Umschmelzen bei einer Härte von 780 HV0,3.
Tabelle 1: Verfahrensparameter der Patentbeispiele (TEM₀₀, Brennweite 200 mm)

Claims (12)

1. Verfahren zur Erzeugung definierter Oberflächenschichten, da­ durch gekennzeichnet, daß durch Applikation von flüssigen/ pastenförmigen Pulvergemischen und deren thermischer Nachbe­ handlung durch Laserstrahlen diese auf metallischen und keramischen Untergründen entstehen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Hartstoffe karbidische, nitridische, boridische und oxidische zur Anwendung gelangen.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle pulverförmigen Metalle als Legierungsstoff eingesetzt werden können.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Bindemittel organische/metallorganische geeignet sind.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bindemittel in organischen bzw. wäßrigen Lösemitteln gelöst bzw. emulgiert/dispergiert sind.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Bindemittelanteil zu Hartstoff zwischen 2-200%, bevorzugt zwischen 5 und 20% beträgt.
7. Verfahren nach 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartstoff­ basis viskositätsmäßig den durch das Applizierungsverfahren und der Werkstoffbeschaffenheit geforderten Viskositätsbe­ dingungen angepaßt wird.
8. Verfahren nach 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die applizierte Schichtstärke zwischen 10-2000 µ, bevorzugt 20-200 µ, beträgt.
9. Verfahren nach 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundstoff metallischer Natur ist.
10. Verfahren gemäß Anspruch 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß Laser unterschiedlichen Modetyps (Energieverteilung) einge­ setzt werden können.
11. Verfahren gemäß Anspruch 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Überlappung (Versatz) einzelner Bahnen Flächen erzeugt werden können.
12. Verfahren gemäß Anspruch 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß durch die variable Laserintensität die Aufmischungsgrade eingestellt werden können und so die Schichtqualität (Höhe, Breite, Härte) eingestellt werden kann.
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