DE4143189C2

DE4143189C2 - Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Werkstücken gegen die Ausbreitung von Ermüdungsbruchanrissen

Info

Publication number: DE4143189C2
Application number: DE4143189A
Authority: DE
Inventors: Arvind Bharti; Vikas Kumar Saxena
Original assignee: Res & Dev Min Def Gov In
Current assignee: Res & Dev Min Def Gov In
Priority date: 1991-07-02
Filing date: 1991-12-30
Publication date: 1998-11-05
Anticipated expiration: 2011-12-31
Also published as: FR2678954A1; GB2257163B; GB2257163A; DE4143189A1; GB9114222D0; US5306360A; FR2678954B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Werkstücken gegen die Ausbreitung von Ermüdungsbruchanrissen.

Bevorzugt, aber nicht ausschließlich, befaßt sich die Erfindung mit der Behandlung von TiAl 6,5 Mo 3,5 Zr 1,95 Si 0,23-Legierungen und Alpha- Beta-Titanlegierungen.

Titanlegierungen finden eine bevorzugte Anwendung in der Luft- und Raum fahrt für tragende Bauteile und für Turbinenschaufeln von Strahltriebwerken. Wegen der hohen Belastungen in Tragrahmen von Flugobjekten sind die Ermüdungseigenschaften von größter Bedeutung. Mit zunehmendem Einsatz von nichtmetallischen Baustoffen für Tragflächenteile und andere Bauteile haben Titanlegierungen eine große Bedeutung als Verbindungs elemente zwischen metallischen und nichtmetallischen Komponenten wie zwischen Tragflächen und Rumpf eines Flugzeuges.

Die Ausbreitung von Ermüdungsbrüchen in einem Werkstoff ist eines der wichtigsten Kriterien für den Einsatz der fertigen Werkstücke, insbesondere auf dem Gebiet der Luftfahrt. Das Versagen des Werkstoffs unter zyklisch variierenden Spannungen aufgrund eines Wachstums von zunächst ver steckten mikroskopischen Fehlstellen wird als Ermüdungsbruch bezeichnet. Die Erscheinungsformen können in die folgenden Kategorien eingeteilt werden, die allerdings untereinander in Beziehung stehen:

I. Anfänglich zyklische Schäden in Form alternierender Verfestigung und Entfestigung,
II. Ausbildung anfänglicher mikroskopischer Fehlstellen (Mikro-An risse),
III. Zusammenwirken dieser Mikro-Anrisse zu einer kritischen Größe (Mikroriß-Wachstum),
IV. nachfolgende makroskopische Ausbreitung der Fehlstellen (Makroriß-Wachstum) und
V. endgültiges Versagen oder Auftreten von Instabilitäten.

In technischer Hinsicht werden die drei ersten Stufen im allgemeinen als An risse bezeichnet, die bis zu einem technisch erfaßbaren Riß führen.

Die gesamte Lebensdauer N bis zum Ermüdungsbruch kann definiert werden durch die Anzahl von Wechselbelastungen bis zur Ausbildung eines Makro-Risses Ni und anschließend bis zum Fortschreiten bis zum endgültigen Ver sagen Np, wobei

N = Ni + Np (1).

Um bei den Konstruktionen das Ermüdungsbruchverhalten angenähert zu bestimmen ist es üblich, S-N-Kurven oder Wöhler-Kurven zu verwenden, die die gesamte Lebensdauer unter vorgegebenen Spannungen repräsentieren.

Für sicherheitskritische Bauteile wie Bauteile von Flugzeugen, wird zur Ver meidung von Ermüdungsbrüchen ein unterschiedlicher Ansatz angewandt. Es wird davon ausgegangen, daß jedes Material einige zunächst unterkritische nicht feststellbare mikroskopische Schwachstellen aufweist, und derartige Schwachstellen werden bei der Berechnung berücksichtigt. Bei derartigen realen Lebenserwartungen hängt die Sicherheit eines Bauteils von der Lebensdauer ab, die durch die Ausbreitung einer. Schwachstelle bzw. eines Risses gegeben ist. Die Verwendung üblicher Daten aus den S-N-Kurven führt zu einer gefährlichen Überschätzung der Lebensdauer des Bauteils. Die obigen und zahlreiche weitere Überlegungen haben dazu geführt, eine Toleranzannahme für das Auftreten von Schäden anzusetzen bzw. die An zahl von Wechselbelastungen, die erforderlich sind, um den Anriß bis zum Bruch abzuschätzen. Bei der obigen Annahme wird die anfängliche Größe der Schwachstelle bzw. des Risses aufgrund von zerstöwngsfreien Meß- techniken abgeschätzt, während die endgültige Größe eines Risses, der für eine gegebene Belastungssituation toleriert werden kann, definiert wird als Bruchzähigkeit gegenüber einer Grenzbelastung. Dieser Lösungsansatz ist der einzige Ansatz, der bei der Konstruktion aller kritischen Komponenten in Betracht gezogen wird, die auf dem Gebiet der Nuklear-Technologie und der Luftfahrt zum Einsatz kommen. Dieser Ansatz beruht auf der Charakterisie rung der Bruch-Mechanik bzw. der Wachstumsgeschwindigkeit von Er müdungsbruch-Anrissen als Funktion zyklisch wechselnder Belastungen. Dieser Ansatz beruht auf der nachstehend wiedergegebenen Paris-Gleichung und wird sehr umfassend bei der Konstruktion gegen Ermüdungsbrüche an gewandt:

Dabei sind C und m Konstanten, die für einen vorgegebenen Werkstoff experimentell bestimmt werden, und da/dN ist die schrittweise Rißzunahme pro Belastungszyklus und ΔK ist der Faktor für die alternierende Belastungs intensität, der durch die Differenz zwischen den maximalen und den mini malen Spannungsintensitäten innerhalb des Ermüdungs-Zyklus (K-Kmax-Kmin) gegeben ist (siehe hierzu: Aufsatz von Schütz "A History of Fatigue", Engg. Fracture Mechanics, Vol. 54, Nr. 2, Seiten 263 bis 300, 1996, insbesondere Seite 281, oben (nachveröffentlicht)).

Fokussierte Laserstrahlen, nachfolgend kurz als "Laser" bezeichnet, stellen eine weitgehend manövrierfähige örtliche Energiequelle dar, die als punkt förmige Wärmequelle bezeichnet und verwendet werden kann, um die Materialeigenschaften zu verändern. Einige der möglichen Wirkungen von Lasern sind in der nachfolgenden Tabelle 1 dargestellt:

Verfahren zur Laserbehandlung von Werkstücken

Behandlungsverfahren mit Lasern unterliegen einer ganzen Reihe von Para metern, die zurückzuführen sind auf:

1. Eigenschaften des Lasers,
2. Eigenschaften des Materials und
3. Verfahrensbedingungen.

Jede der vorstehenden Parameter hat wiederum zahlreiche Variablen, so daß die Anzahl aller Variablen bzw. Parameter bei der Laserbehandlung extrem groß ist. Um jede der laserabhängigen Behandlungstechnologien der Werk stoffe bzw. Werkstücke festzulegen, müssen die Parameter experimentell erforscht und optimiert werden. Dies erfordert erhebliche Anstrengungen und Betriebsmittel (siehe: Dekumbis "Fachberichte für die Metallbearbeitung", Band 63 (1986), Nr. 11/12, Seiten 549 bis 553, "Oberflächenbehandlung von Werkstoffen mit CO₂-Hochleistungslasern").

Die sich ergebenden Werkstückeigenschaften sind jedoch in äußerst starkem Maße abhängig von den Lasereigenschaften. Aus diesem Grunde sind die allgemeinen Forderungen, wie sie beispielsweise in dem genannten Aufsatz von Dekumbis erörtert werden, zwar bekannt, jedoch müssen für ein vorge gebenes Ziel und die Festlegung punktuell ausgerichteter Werkstückeigen schaften umfangreiche Optimierungsversuche ausgeführt werden. Aus diesem Grunde sind die experimentell gefundenen Verfahrensbedingungen, die besondere Verbesserungen mit sich bringen, aus dem Stande der Technik nicht herleitbar.

Ermüdungsbrüche in einem, Bauteil breiten sich üblicherweise von dessen freier Oberfläche aus. Es ist infolgedessen möglich, erhebliche Ver besserungen des Widerstandes gegen Ermüdungsbrüche von Maschinen bauteilen dadurch zu erreichen, daß man unterschiedliche Oberflächenbe handlungen wie Aufkohlen, Kugelstrahlen, Oberflächenwalzen, Strecken, Induktionshärten, Einsatzhärten, Beschichten, Richten, Flammhärten an wendet (siehe das Buch von Cazaud "Fatigue of Metals", veröffentlicht von Chapman and Hall, London, 1953, Seiten 175 bis 204).

Derartige Oberflächenbehandlungen verbessern den Widerstand gegenüber Ermüdungsbrüchen durch die Erzeugung von Restspannungen in den Ober flächenschichten der Bauteile. Im Falle von Bauteilen ohne Kerben, bei denen die üblichen Berechnungen auf der Grundlage der S-N-Kurven bzw. Wöhler- Kurven, angewandt werden können, wie dies weiter oben beschrieben wurde, werden derartige Behandlungen erfolgreich angewandt, um den Widerstand gegen Ermüdungsbrüche der Bauteile zu verbessern. Im allgemeinen liegen jedoch die durch derartige Oberflächenbehandlungen erzielbaren Ver besserungen des Widerstandes gegen Ermüdungsbrüche im Bereich von etwa 20 bis 60%, je nach dem Verfahren, dem Bauteil und dessen Werkstoff. Der Einfluß von Restspannungen auf den Widerstand gegen die Ermüdungs bruch-Ausbreitung unter Berücksichtigung des Bruchverlaufs bei kritischen Flugzeugbauteilen wurde ebenfalls erläutert in dem Aufsatz von Nelson "Effect of Residual Stresses on Fatigue Crack Propagation", veröffentlicht in ASTM STP 776, Pub. American Society for Testing and Materials, 1982, Seiten 172 bis 194. Darin wird der Einfluß auf den K-Faktor (Spannungs- Intensitäts-Faktor) und die Antriebskräfte für die Rißausbreitung untersucht. Um den Einfluß des K-Faktors oder der Antriebskraft und des Bauteils im Hinblick auf den Widerstand gegen die Ermüdungsbruchausbreitung zu ver ringern, wurde vor diesem Hintergrund eine neue Behandlungsmethode untersucht, die auf der Laserbestrahlung unter kontrollierten Bedingungen be ruht, und die angewandt wurde, um den Widerstand gegen die Ausbreitung von Ermüdungsbrüchen bei einigen Eisen- und Nichteisen-Werkstoffen zu verbessern. Es wird ausgeführt, daß das Laserverfahren dazu dient, den Widerstand gegen die Ermüdungsbruch-Ausbreitung nicht nur in Stählen zu verbessern, bei denen die martensitische Umwandlung Druckspannungen aufgrund einer Volumenausdehnung durch die Umwandlung erzeugt, sondern auch im Falle von Titanlegierungen und Reineisen, bei denen eine solche Umwandlung keine Volumensvergrößerungen erzeugt.

Durch die Oberflächenbehandlung mittels gesteuerter Laserparameter können Druckspannungen erzeugt werden, andererseits aber auch reine Zugspannungen (siehe den Aufsatz von James u. a. "Residual Stress State of Laser Melted Surfaces", veröffentlicht in "Laser Processing of Materials", Ed. K. Mukherjee and J. Majumder Pub. TMS of AIME, N.Y. 1985, Seiten 131 bis 139).

Auch die folgenden Aufsätze von Singh u. a. "Fatigue Resistance of Laser Heat- Treated 1045 Carbon Steel", veröffentlicht in "Metallurgical Transactions A", Band 12A, Januar 1981, Seiten 138/139 durch die "American Society for Metals and the Metallurgical Society of AIME" und von lino u. a. "Fatigue Strength Improvement of Age-Hardened 18 Ni Maraging Steel by Stress Laser Surface Treatment and Subsequent Aging", veröffentlicht in "Metallurgical Transactions A", Band 19A, Oktober 1988, Seiten 2603 bis 2605, durch die "American Society for Metals and the Metallurgical Society of AIME" be fassen sich ausschließlich mit der Untersuchung der Ermüdungsbruchdauer von speziellen Stählen, jedoch auf der Grundlage von S-N-Kurven oder Wöhler-Kurven, d. h. mit der Anzahl von Lastwechseln bis zum Bruch, und nicht mit der Erhöhung des Widerstandes gegen eine Rißausbreitung nach der Beziehung da/dN.

Durch den bereits erwähnten Aufsatz von Dekumbis "Oberflächenbehand lung von Werkstoffen mit CO2-Hochleistungslasern", veröffentlicht in "Fachberichte für Metallbearbeitung", Vol. 63, No. 11/12, 1986, Seiten 549 bis 553, ist es bekannt, zum Zwecke der Erzielung eines Verschleißschutzes die Oberfläche von Werkstücken mittels Laserstrahlen zu härten. Dabei soll auch die Energieabsorption durch Aufrauhung der Oberfläche durch Sand strahlen verbessert werden, ohne daß jedoch spezifische Materialien zum Sandstrahlen angegeben werden. Außerdem soll die chemische Zusam mensetzung der Oberfläche durch Oxidation verändert werden. Es sind Verfahren zum Umwandlungshärten von Stählen und Grauguß, Oberflächen umschmelzen, Oberflächenbeschichten und Oberflächenlegieren durch Partikelinjektion beschrieben. Auch die Beispiele weisen wiederum auf Werkzeugstähle und Grauguß hin. Zum Umwandlungshärten wird auf die Nachteile der Notwendigkeit einer absorbierenden Beschichtung, z. B. durch Grafitspray, und auf den lokalen Härteabfall durch Anlaßeffekte bei Spurüberlappung verwiesen. Zum Oberflächenumschmelzen wird auf die Gefahr einer Rißbildung hingewiesen. Im Zusammenhang mit dem Oberflä chenlegieren ist zwar angegeben, daß harte Teilchen, z. B. Aluminiumoxid in das Schmelzbad eingeblasen werden sollen, daß diese jedoch unaufge schmolzen bleiben sollen, damit eine mit Hartpartikeln angereicherte Rand schicht mit Verschleißeigenschaften entsteht. Das Auflegieren der Schmelze mit Spuren an Aluminium, Sauerstoff und Stickstoff ist ebensowenig beschrieben wie die Erhöhung des Widerstandes gegen Ermüdungsbruch anrisse.

Der Aufsatz von Ji-Liang Doong u. a. "Effect of Laser Surface Hardening on Fatigue Grack Growth Rate in AlSl-4130 Steel", veröffentlicht in "Engineering Fracture Mechanics", Vol. 33, 1989, Seiten 483 bis 491, befaßt sich zwar mit der Verringerung von Ermüdungsbrüchen, beschränkt die Ausführungen jedoch auf einen speziellen Stahl und erklärt den Effekt mit einer Volumens ausdehnung bei der Umwandlung von Austenit zu Martensit. Die Auswirkun gen des Laserstrahls sind nicht konkludent beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, daß die Rißbildung in einem frühen Stadium verzögert wird, daß dieser Effekt jedoch beim Fortschreiten der Rißbildung verschwindet und daß eine entstehende Sprödigkeit die Rißausbreitung beschleunigt.

In dem Buch "Titanium - Science and Technology" Proceedings of the Fifth International Conference on Titanium, Congress-Center, München, Septem ber 10-14,1984, Band 4, wird auf den Seiten 2155 bis 2162 unter der Über schrift "Relauonship between Surface Treatment and Fatigue Damage of Ti-6AL-4V Titanium Alloy" folgendes beschrieben: Die Werkstücke werden durch Kugelstrahlen (shot peening) vorbehandelt, um eine Oberflächen rauhigkeit zu erzeugen. Der Laserstrahl kann um bis zu 10 oder 20 mm defokussiert sein. Dabei entstehen polygonale Risse. Durch die, Laser behandlung entstehen Zugspannungen, die das Material verspröden. Durch eine Argon-Atmosphäre findet eine Verunreinigung statt, woran die Düsen geometrie und eine Feststofflösung von natürlichen Oxiden schuld sein können. Der Artikel endet mit der Bemerkung, daß man bei einer Laser behandlung sehr sorgfältig mit der Gasatmosphäre umgehen muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Behandlung der eingangs beschrieben Werkstoffe anzugeben, durch das die Vielseitig keit der Verwendung und die Verträglichkeit mit einer neuen Generation von nichtmetallischen Luftfahrtwerkstoffen erhöht wird.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale im Patentanspruch 1.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, den Widerstand gegen das Wachsen von Ermüdungsbruchanrissen in Werkstücken (Massenartikeln) um Faktoren zwischen 3 und 100 zu erhöhen.

Besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind für sich genommen und/oder in Kombination dadurch gekennzeichnet,

- daß sich der Brennfleck 50 µm oberhalb der zu behandelnden Oberfläche befindet,
- daß das Werkstück, von der Oberfläche ausgehend bis zu einer Tiefe zwischen 50 und 1000 µm örtlich aufgeschmolzen wird,
- daß der Druck des Schutzgases auf der Eintrittsseite: der Düse zwischen 1,4 und 3,4 bar gewählt wird,
- daß der Druck 2,5 bar beträgt,
- daß der Laserstrahl auf einen Durchmesser zwischen 250 µm und 15 mm, vorzugsweise zwischen 0,5 und 4,0 mm, fokussiert wird,
- daß als Schutzgas Argon verwendet wird,
- daß der Abstand zwischen Düse und Werkstückoberfläche zwischen 10 und 25 mm, vorzugsweise zwischen 15 und 20 mm, gewählt wird,
- daß das Werkstück unter einem von 90° abweichenden Winkel zur Achse des Laserstrahls gehalten wird.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes wird nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 11 näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Laser-Kanone mit einer Meßvorrichtung mit einer Probenplatte zur Bestimmung der Lage des Brennflecks,

Fig. 2 das Aussehen der Abtastspur in der Draufsicht auf die Proben platte,

Fig. 3 einen teilweisen Schnitt durch das untere Ende einer Kanonensäule mit angesetzter Gaszufuhrkammer und Schutzgasdüse in vergrö ßertem Maßstab,

Fig. 4 eine Seitenansicht der Schutzgasdüse mit gestrichelt eingezeich netem Düsenverlauf in wiederum vergrößertem Maßstab,

Fig. 5 ein Diagramm zur Bestimmung der erforderlichen Strahlleistung (Parameterdarstellung) in Abhängigkeit von der Abtastgeschwin digkeit (Abszisse) und Aufschmelztiefe (Ordinate),

Fig. 6 ein Diagramm zum Vergleich der Riss-Ausbreitungsgeschwindig keit von behandelten und unbehandelten Werkstücken in Abhän gigkeit vom Spannungsintensitätsfaktor für die Legierung TiAl 6,5 Mo 3,5 Zr 1,9 Si 0,23,

Fig. 7 ein Diagramm analog Fig. 6, jedoch für behandeltes und unbe handeltes Reineisen,

Fig. 8 eine Draufsicht auf einen Probenkörper für die Bestimmung der Riss-Ausbreitungsgeschwindigkeit,

Fig. 9 eine Frontansicht des Probenkörpers nach Fig. 8 im Richtung des Pfeils IX in Fig. 8,

Fig. 10 die Anordnung zweier Probenkörper nach den Fig. 8 und 9 auf einer Grundplatte für die Bestimmung von Längs- (L-T) und Quer spannungen (T-L), und

Fig. 11 eine Seitenansicht einer Bestrahlungsstation mit einem Laserstrahl und einem Werkstück.

In Fig. 1 ist der untere Teil einer Laser-Kanone 2 dargestellt, die eine Linse 3 zur Fokussierung des schematisch angedeuteten Laserstrahls 4 besitzt, der einen Durchmesser von 50 mm und eine Leistung von 3 kW hat. Der fokussierte Teil des Laserstrahls ist mit "4f" bezeichnet, tritt durch eine Düse 5 aus und konvergiert danach auf einen Strahldurchmesser von etwa 1,5 mm.

Der verwendete Laser, der auch in der Vorrichtung nach Fig. 11 verwendet wird, ist ein CO2-Laser, dessen Brennfleck und Fokuslage zu bestimmen sind. Die Bestimmung des Brennflecks geschieht zur Einstellung einer prä zisen Lage des Brennflecks des an sich unsichtbaren Infrarot-Strahls der Laserkanone (Wellenlänge: 10,6 µm) sowie zur Bestimmung der Leistungs dichte (Strahlleistung : Strahlquerschnitt am Auftreffort). Ein derartiger Schritt ist nach jeder erneuten Montage nach Wartung des Lasers aus zuführen, desgleichen nach jeder neuen Einstellung, da der Mode sich ändern kann und dies einen Einfluß auf die Lage des Brennflecks hat.

Zur Einstellvorrichtung nach Fig. 1 gehört eine längliche Probenplatte 6 mit einer Länge von beispielhaft 25 cm, die aus dem gleichen Werkstoff wie das Werkstück besteht. Diese Probenplatte hat gegenüber einem waag rechten Arbeitstisch 6a einen Anstellwinkel von 10° bis 15° und wird relativ zum Laserstrahl 4f mit einer Geschwindigkeit von 5 in/min in Richtung des Pfeils 6b bewegt.

Gemäß Fig. 2 ist das mittlere Drittel der Ablenkspur, in der der Laser strahl 4f eine gleichförmige Schmelzbreite verursacht, der Bereich, in dem der Laserstrahl seine größte Tiefenschärfe besitzt. Die Bestimmung des genauen Winkels der Probenplatte zur Waagrechten und die Lage der Probenplatte gegenüber dem Laserstrahl ermöglichen eine Berechnung der Tiefenschärfe und der Lage des Brennflecks gegenüber der Düsenmün dung 5a.

Fig. 3 zeigt weitere Details des unteren Endes einer gasdichten Laser- Kanone 2: Argon hoher Reinheit wird einer Schutzgaskammer 7, die der Düse 5 vorgeschaltet ist, über eine Einlaßöffnung 7a zugeführt, wobei die Gasmenge so eingestellt wird, daß in der Schutzgaskammer 7 ein Druck von 2,5 bar herrscht. Die Schutzgaskammer 7 ist am unteren Ende mit einem Ringflansch 8 versehen, von dem Distanzhülsen 9 und 10 in gas dichter Verbindung zur Düse 5 führen. Da die Düse 5 den Laserstrahl konzentrisch umgibt, führt dies zur Ausbildung eines den Laserstrahl umgebenden und bis zur Werkstückoberfläche reichenden Argonstrahls, der den Zutritt von Komponenten der Umgebungsluft zumindest sehr weitgehend verhindert, so daß eine Oxidation von Legierungskomponenten und/oder die Einlagerung von Stickstoff sehr weitgehend unterdrückt werden.

In Fig. 4 ist das Werkstück 1 mit der zu behandelnden Werkstückober fläche 1a im Abstand von 18 mm unterhalb der Düsenmündung 5a darge stellt. Die Düse 5 läßt sich über ein Außengewinde 5b mit der Distanzhülse 10 verschrauben. Die Argonatmosphäre im Bereich der Werkstückober fläche ist abhängig vom Argon-Druck in der Schutzgaskammer 7, von der Düsengeometrie und vom Abstand der Düsenmündung von der Werkstück oberfläche. Die betreffenden Werte können im Rahmen der in den Ansprü chen gemachten Angaben durch Ausprobieren gefunden werden. Die in Fig. 4 zu findenden Zahlenwerte (in mm) führen zu optimalen Verhältnis sen.

Die Breite der Abtastspur (Schmelzspur) wird gleichfalls gemessen und das Steuergerät für die Abtastung so eingestellt, daß sich die Abtastspuren um 10% überlappen. Durch das Steuergerät kann sowohl der Laserstrahl gegenüber dem Werkstück als auch das Werkstück gegenüber dem Laser strahl bewegt werden. Die lineare Abtastgeschwindigkeit wird während eines Bearbeitungsvorganges beibehalten. Je nach der Werkstückdicke kann der Überlappungsgrad zwischen 5% und 50% gewählt werden.

Mit den gleichen Verfahrensparametern (Laserleistungsdichte, Abtast geschwindigkeit, Schutzgasdruck, Abstand des Werkstücks von der Düsenmündung, Überlappungsgrad und vorausgegangene Sandstrahlung) kann die Werkstückoberfläche durch sequentielles Abrastern behandelt werden.

Fig. 5 zeigt in Diagrammform die Verhältnisse von Abtastgeschwindigkeit und Aufschmelztiefe in Parameterdarstellung für Strahlleistungen von 1 und 3 kW für die Titanlegierung TiAl 6,5 Mo 3,5 Zr 1,9 Si 0,23. Hieraus können wesentliche Verfahrensparameter gewonnen werden.

Beispiel 1

Das Werkstück 1 (Fig. 4 und 11), ein CT-Probenkörper (CT = Compact Tension) mit den Abmessungen nach den Fig. 8 und 9, der beispiels weise aus einem 6 mm dicken Blech hergestellt sein kann, wird zunächst mit Aluminiumoxid-Sand gestrahlt, der durch ein Sieb mit einer Öffnungs weite von 0,15 mm (100 mesh) gesiebt wurde. Das Sandstrahlen erfolgt mit einer Sandmenge von 500 g/min aus einer Düse mit einer Öffnung von 6 mm bei einem Druck von 4,2 bis 6,3 bar.

Das Sandstrahlen ist gründlich auszuführen und dient zur Verbesserung der Absorption der Laserstrahlung.

Die Oberfläche des sandgestrahlten CT-Probenkörpers, der aus einer Alpha-Beta-Titanlegierung besteht, wurde unter den obigen Bedingungen mit einer Laserleistung von 3 kW und mit einer Abtastgeschwindigkeit von 100 cm/min behandelt. Das Verhältnis der halben Höhe E zum Maß W betrug etwa 0,6 bei einer L-T-Ausrichtung nach Fig. 10. Der solcherart hergestellte Probenkörper wurde unter Wechselbelastung mit einem Anfangsriß versehen, und die Ausbreitung des Ermüdungsbruchverhaltens wurde untersucht. Das Ergebnis zeigte eine Verbesserung des Widerstan des gegen das Ermüdungsbruchwachstum von mindestens 400% gegenüber über einem unbehandelten Probenkörper.

Beispiel 2

Die gleiche Legierung wurde der erfindungsgemäßen Behandlung gemäß Beispiel 1 mit einer Laserleistung von 3 kW unterworfen, jedoch mit dem Unterschied, daß die Abtastgeschwindigkeit 150 cm/min betrug. Die Ergebnisse sind in Fig. 6 grafisch dargestellt, wobei die Kurve A1 die Verhältnisse bei erfindungsgemäßer Behandlung und die Kurve A2 die Verhältnisse eines Probenkörpers nach dem Stande der Technik zeigt.

Beispiel 3

Ein CT-Probenkörper nach den Fig. 8 und 9 aus reinem Eisen wurde nach dem erfindungsgemäßen Verfahren nach Beispiel 1 behandelt, und zwar mit einer Abtastgeschwindigkeit von 100 cm/min bei einer Strahl leistung von gleichfalls 3 kW. Die Ergebnisse sind in Fig. 7 dargestellt, wobei die Kurve B1 den Erfindungsgegenstand repräsentiert, die Kurve B2 einen unbehandelten Probenkörper. Der Widerstand gegen das Wachsen des Ermüdungsbruchanrisses ist bei dem erfindungsgemäß behandelten Probenkörper um den Faktor 75 größer als bei dem unbehandelten Probenkörper.

Die erhebliche Verbesserung gemäß den Beispielen 1 bis 3 ist auf die folgenden Ursachen zurückzuführen: Erstens resultieren das Erwärmen durch den Laserstrahl und die Abkühlbedingungen durch Selbstabschreckung in der Erhaltung metastabiler Phasen, wobei ein bestimmter Anteil an Epitaxie und Restspannungen auf der Werkstückoberfläche erzeugt wer den. Zweitens kann angenommen werden, daß etwas atmosphärischer Stickstoff zunächst in der Oberflächenschmelze in Lösung geht und alsdann in die Zwischengitterplätze diffundiert. Allerdings ist der Stickstoff allenfalls in Spuren vorhanden. Es kann weiter angenommen werden, daß der Zwischengitter-Stickstoff einen Beitrag zur Erhöhung des Widerstandes gegen das Wachsen der Ermüdungsbruchanrisse leistet.

Die Stickstoffaufnahme wird indirekt durch den Druck des Schutzgases, die Form der Düse und den deutlichen Abstand zwischen der Düse und dem Werkstück gesteuert. Eine Verringerung dieses Abstandes hat eine Rauhig keit der behandelten Oberfläche zur Folge und eine Vergrößerung führt wegen der Injektionswirkung des Gasstrahls zur Aufnahme von Sauerstoff und Stickstoff durch die Schmelze. Beides ist weitgehend unerwünscht.

Die geometrische Anordnung, d. h. die Lage des Werkstücks 1 und des Laserstrahls 4f sollten derjenigen in den Fig. 4 und 11 entsprechen, und die Strahlbewegung relativ zu der zu behandelnden Werkstückoberfläche 1a sollte parallel zum waagrechten Boden verlaufen, und der Laserstrahl sollte von oben und rechtwinklig zum Boden auf das Werkstück auftreffen.

Abweichungen von dieser Anordnung haben Einfluß auf das durch den Laserstrahl gebildete Plasma und seine Wechselwirkung mit dem ankom menden Laserstrahl. Dieser Einfluß kann zu Abweichungen von den geschil derten Eigenschaften führen.

Das Plasma entsteht durch die starke Erhitzung der behandelten Ober fläche und ihrer Umgebung. Es enthält Ionen aus dem Werkstück (Sub strat) und Inertgasionen. Wenn der Laserstrahl gemäß Fig. 11 senkrecht von oben auf das Werkstück 1 auftrifft, befindet sich das Plasma im Strahlweg. Das Plasma hat folgende Wirkungen auf den Laserstrahl:

- wegen seines von Luft verschiedenen Brechungsindex verändert es die Größe des Brennflecks, und
- es absorbiert einen Teil der Strahlenergie und gibt sie an das Werkstück ab. Diese Wirkung ist die bedeutendere.

Die Testmethode und die Probenform wurden in den USA von der American Society for Testing Materials (ASTM) zum Zwecke der Auswertung von Ermüdungsbruch-Wachstumsraten in Werkstoffen festgelegt ("Standard Test Methode für die Messung von Ermüdungsbruch-Wachstumsraten": Annual Book of Standard; Bezeichnung - E647-86 ASTM Teil 10, 1987, Seite 899).

Fig. 10 zeigt zwei der Probenkörper nach den Fig. 8 und 9 in L-T-An ordnung für die Untersuchung von Spannungen in Längsrichtung (Doppel pfeil 11) und in T-L-Anordnung für die Untersuchung von Spannungen in Querrichtung (Doppelpfeil 12), festgeschraubt mittels der Bohrungen C (Fig. 8) auf einer Grundplatte 13. Bei allen vorstehenden Verfahrens beispielen wurde die Düsenform nach Fig. 4 und bei den Messungen wurde die L-T-Anordnung in Fig. 11 verwendet.

Claims

1. Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Werkstücken aus der Gruppe der Alpha-Beta-Titanlegierungen und Reineisen durch die Schritte des Sand strahlens des Werkstücks, durch nachfolgenden Beschuß der Werk stückoberfläche mit Laserstrahlung nach Auswahl von Position, Strahl leistung, Fokussierung und Fokuslage des Brennpunktes eines relativ zum Werkstück beweglichen Laserstrahls und der Abtastgeschwindigkeit im Verhältnis zur Strahlleistung, Bewegung des Laserstrahls mittels eines Steuergeräts auf sich überlappenden Abtastspuren auf dem Werkstück, wobei die Oberfläche des Werkstücks örtlich unter Schutzgas aufge schmolzen und durch Selbstabschreckung verfestigt wird, wobei zur Erhöhung des Widerstandes gegen die Ausbreitung von Ermüdungs bruchanrissen

a) zum Sandstrahlen Aluminiumoxid verwendet wird,
b) die zu bestrahlende Oberfläche außerhalb des Brennpunktes des Laserstrahles angeordnet und die Fokuslage so gewählt wird, daß der Brennpunkt bis zu 200 µm oberhalb oder unterhalb der zu bestrahlen den Oberfläche liegt, wobei die Breite der Abtastspur bestimmt und das Steuergerät in der Weise eingestellt wird, daß bei aufeinanderfol genden Abtastbewegungen eine Überlappung der Abtastspuren zwi schen 5 und 50% bewirkt wird, und wobei
c) die mit Aluminiumoxid sandgestrahlte Oberfläche des Werkstücks mittels einer den Laserstrahl umgebenden Düse mit der Schutzgas atmosphäre beaufschlagt wird, wobei die Düsenform, der Abstand der Düse vom Werkstück und der Gasdruck derart gewählt werden, daß atmosphärischer Stickstoff in der Oberflächenschmelze in Lösung geht und in Zwischengitterplätze diffundiert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Brennpunkt 50 µm oberhalb der zu behandelnden Oberfläche befindet.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück von der Oberfläche ausgehend bis zu einer Tiefe zwischen 50 und 1000 µm örtlich aufgeschmolzen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des Schutzgases auf der Eintrittsseite der Düse zwischen 1,4 und 3,4 bar gewählt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des Schutzgases 2,5 bar beträgt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser strahl auf einen Durchmesser zwischen 250 µm und 15 mm, vorzugs weise zwischen 0,5 und 4,0 mm fokussiert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Schutzgas Argon verwendet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen Düse und Werkstückoberfläche zwischen 10 und 25 mm, vor zugsweise zwischen 15 und 20 mm gewählt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet daß das Werkstück unter einem von 90° abweichenden Winkel zur Achse des Laserstrahls gehalten wird.