EP2115176A1 - Verfahren zur oberflächenverfestigung metallischer bauteile - Google Patents

Verfahren zur oberflächenverfestigung metallischer bauteile

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EP2115176A1
EP2115176A1 EP08706831A EP08706831A EP2115176A1 EP 2115176 A1 EP2115176 A1 EP 2115176A1 EP 08706831 A EP08706831 A EP 08706831A EP 08706831 A EP08706831 A EP 08706831A EP 2115176 A1 EP2115176 A1 EP 2115176A1
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EP
European Patent Office
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laser
plasma
coating
light emission
emission values
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP08706831A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Erwin Bayer
Jürgen STEINWANDEL
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Airbus Defence and Space GmbH
MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines GmbH
EADS Deutschland GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Publication of EP2115176A1 publication Critical patent/EP2115176A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/631—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited using photolysis and investigating photolysed fragments
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D10/00—Modifying the physical properties by methods other than heat treatment or deformation
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    • G—PHYSICS
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    • G01N21/71—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light thermally excited
    • G01N21/718—Laser microanalysis, i.e. with formation of sample plasma

Definitions

  • the invention relates to a method for surface hardening of metallic components according to the preamble of claim 1.
  • a method for surface hardening of metallic components by means of a laser shock blasting process is known.
  • a coating is applied to a surface of a metallic component to be solidified, which is decomposed by means of a laser beam provided by a processing laser.
  • the laser beam provided by the processing laser is preferably a pulsed laser beam.
  • a plasma is generated from the decomposing coating, which shock waves are induced by interaction of the plasma with the metallic surface of the component, which plastically deform the surface and thus induce compressive residual stresses in the same. As a result, the surface of the component is solidified.
  • EP 1 637 616 A2 It is further known from EP 1 637 616 A2 to monitor the laser shock blasting process by detecting light emission values of the plasma. On the basis of the measured values recorded here, the laser shock blasting process can be controlled or regulated. According to EP 1 637 616 A2, the detection of the light emission values of the plasma takes place with the aid of a spectrometer, wherein spectral emissions of the plasma are focused via a lens and then introduced into the spectrometer. A disadvantage of this detection of the light emission values of the plasma is that the measured values have a strong background signal of the plasma resulting from recombination and bremsstrahlung radiation in the so-called plasma afterglow.
  • the present invention is based on the problem to provide a novel method for surface hardening of metallic components.
  • This problem is solved by a method according to claim 1.
  • the light emission values of the plasma are detected with the aid of a measuring laser with a time delay for the decomposition of the coating with the aid of the processing laser.
  • the light emission values of the plasma are detected with the aid of a measuring laser with a time delay for the decomposition of the coating and thus for the generation of the plasma with the aid of the processing laser.
  • light emission values can be provided which are almost free from a disturbing background signal of the plasma, so that the detected light emission values of the plasma can be unambiguously related to the laser shock blasting process.
  • the light emission values recorded according to the invention it is therefore possible to make a statement about the efficiency of a laser shock blasting process and to precisely control it.
  • the present invention relates to a method for surface hardening of metallic components by means of a laser shock blasting process.
  • the method is preferably used in the surface consolidation of gas turbine components.
  • the laser shock blasting process is monitored by detecting light emission values of the plasma generated during the laser shock blasting process, wherein the light emission values of the plasma are temporarily measured by means of a measuring laser. requires the formation of the plasma to be detected.
  • the plasma is generated by decomposing a coating applied to the surface of the component to be solidified with the aid of a processing laser.
  • the invention is based on the finding that background radiation resulting from recombination radiation and bremsstrahlung in the plasma afterglow decreases sharply immediately after the generation of the plasma. Accordingly, when light emission values of the plasma are detected with a time delay for generation thereof, they are almost free of background radiation. In this case, it is then possible to correlate the light emission values with the laser shock blasting process and to make a clear statement about the efficiency of the laser shock blasting process.
  • the time delay between the detection of the light emission levels of the plasma and the generation thereof is a few nanoseconds, preferably between 5 and 50 nanoseconds.
  • the time delay between the detection of the light emission levels of the plasma and the generation thereof is on the order of about 10 nanoseconds.
  • the measuring laser used is preferably a pulsed measuring laser, wherein a measuring pulse of the pulsed measuring laser is time-delayed to a processing pulse of a pulsed processing laser, preferably of the order of magnitude specified above.
  • a carbon-containing paint based on organic substances is applied as a coating on the surface of the component to be consolidated.
  • This organic-based carbonaceous paint is decomposed by the processing laser by pyrolysis to provide the plasma.
  • a metallic film or a metallic film in particular an aluminum foil or an aluminum film, to the metallic surface of the component to be solidified.
  • Such coatings are decomposed by evaporation with the aid of the processing laser. Following the pyrolysis or evaporation of the coating, an ionization with electrical excitation of coating-specific atoms or molecules takes place, wherein this excitation can be detected by measuring the light emission values.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenverfestigung eines Bauteils mit Hilfe eines Laserschockstrahlprozesses, wobei mit Hilfe eines von einem Bearbeitungslaser bereitgestellten Laserstrahls eine Beschichtung, die auf eine zu verfestigende, metallische Oberfläche des Bauteils aufgebracht ist, unter Bildung eines Plasmas durch Verdampfung oder Pyrolyse derart zersetzt wird, dass eine durch Wechselwirkung des Plasmas mit der metallischen Oberfläche induzierte Stosswelle die Oberfläche plastisch verformt, und wobei der Laserschockstrahlprozess durch Erfassen von Lichtemissionswerten des Plasmas überwacht wird. Erfindungsgemäß werden die Lichtemissionswerte des Plasmas mit Hilfe eines Messlasers zeitverzögert zur Zersetzung der Beschichtung mit Hilfe des Bearbeitungslasers erfasst.

Description

Verfahren zur Oberflächenverfestigung metallischer Bauteile
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenverfestigung metallischer Bauteile nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der EP 1 637 616 A2 ist ein Verfahren zur Oberflächenverfestigung metallischer Bauteile mit Hilfe eines Laserschockstrahlprozesses bekannt. Bei einem Laserschockstrahlpro- zess wird auf eine zu verfestigende Oberfläche eines metallischen Bauteils eine Beschich- tung aufgetragen, die mit Hilfe eines von einem Bearbeitungslaser bereitgestellten Laserstrahls zersetzt wird. Bei dem Von dem Bearbeitungslaser bereitgestellten Laserstrahl handelt es sich vorzugsweise um einen gepulsten Laserstrahl. Mit Hilfe des gepulsten Laserstrahls wird aus der sich zersetzenden Beschichtung ein Plasma erzeugt, wobei durch Wechselwirkung des Plasmas mit der metallischen Oberfläche des Bauteils Stoßwellen induziert werden, welche die Oberfläche plastisch verformen und so Druckeigenspannungen in derselben induzieren. Hierdurch wird die Oberfläche des Bauteils verfestigt.
Aus der EP 1 637 616 A2 ist es weiterhin bekannt, den Laserschockstrahlprozess durch Erfassen von Lichtemissionswerten des Plasmas zu überwachen. Auf Basis der hierbei erfass- ten Messwerte kann der Laserschockstrahlprozess gesteuert bzw. geregelt werden. Nach der EP 1 637 616 A2 erfolgt die Erfassung der Lichtemissionswerte des Plasmas mit Hilfe eines Spektrometers, wobei spektrale Emissionen des Plasmas über eine Linse fokussiert und anschließend in das Spektrometer eingeleitet werden. An dieser Erfassung der Lichtemissionswerte des Plasmas ist nachteilig, dass die Messwerte ein starkes Hintergrundsignal des Plasmas resultierend aus Rekombinations- und Bremsstrahlung im sogenannten Plasma- Afterglow aufweisen. Bedingt durch dieses starke Hintergrundsignal ist es so gut wie nicht möglich, die erfassten Lichtemissionswerte mit der erzielten Oberflächenverfestigung in Beziehung zu setzen, so dass auf Basis der erfassten Lichtemissionswerte keine Aussage über die Effizienz eines Laserschockstrahlprozesses getroffen werden kann und demnach nur eine ungenaue Regelung des Laserschockstrahlprozesses möglich ist. Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Verfahren zur Oberflächenverfestigung metallischer Bauteile zu schaffen. Dieses Problem wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß werden die Lichtemissionswerte des Plasmas mit Hilfe eines Messlasers zeitverzögert zur Zersetzung der Beschichtung mit Hilfe des Bearbeitungslasers erfasst.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung werden die Lichtemissionswerte des Plasmas mit Hilfe eines Messlasers zeitverzögert zur Zersetzung der Beschichtung und damit zur Erzeugung des Plasmas mit Hilfe des Bearbeitungslasers erfasst. Hierdurch können Lichtemissionswerte bereitgestellt werden, die nahezu frei von einem störenden Hintergrundsignal des Plasmas sind, so dass die erfassten Lichtemissionswerte des Plasmas eindeutig mit dem Laserschockstrahlprozess in Verbindung gesetzt werden können. Es ist demnach auf Basis der erfindungsgemäß erfassten Lichtemissionswerte eine Aussage über die Effizienz eines Laserschockstrahlprozesses sowie eine genaue Regelung desselben möglich.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Die hier vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenverfestigung metallischer Bauteile mit Hilfe eines Laserschockstrahlprozesses. Das Verfahren findet bevorzugt Verwendung bei der Oberflächenverfestigung von Gasturbinenbauteilen.
Die Grundzüge von Laserschockstrahlprozessen zur Oberflächenverfestigung von metallischen Bauteilen sind dem hier angesprochenen Fachmann geläufig und bedürfen keiner näheren Erläuterung. Die Grundzüge von Laserschockstrahlprozessen können z.B. der EP 1 637 616 A2 entnommen werden.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird der Laserschockstrahlprozess durch Erfassen von Lichtemissionswerten des beim Laserschockstrahlprozess erzeugten Plasmas ü- berwacht, wobei die Lichtemissionswerte des Plasmas mit Hilfe eines Messlasers zeitver- setzt zur Bildung des Plasmas erfasst werden. Das Plasma wird dadurch erzeugt, dass mit Hilfe eines Bearbeitungslasers eine auf die zu verfestigende Oberfläche des Bauteils aufgebrachte Beschichtung zersetzt wird.
Durch die zeitversetzte Erfassung der Lichtemissionswerte sind dieselben nahezu frei von störender Hintergrundstrahlung des Plasmas. So liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass aus Rekombinationsstrahlung und Bremsstrahlung im Plasma- Afterglow resultierende Hintergrundstrahlung unmittelbar im Anschluss an die Erzeugung des Plasmas stark abklingt. Werden demnach Lichtemissionswerte des Plasmas zeitverzögert zur Erzeugung desselben erfasst, so sind dieselben nahezu frei von Hintergrundstrahlung. In diesem Fall ist es dann möglich, die Lichtemissionswerte in Korrelation zum Laserschockstrahlprozess zu setzen und eine eindeutige Aussage über die Effizienz des Laserschockstrahlprozesses zu treffen.
Vorzugsweise beträgt die Zeitverzögerung zwischen der Erfassung der Lichtemissionswerte des Plasmas und der Erzeugung desselben einige Nanosekunden, vorzugsweise zwischen 5 und 50 Nanosekunden. Vorzugsweise liegt die Zeitverzögerung zwischen der Erfassung der Lichtemissionswerte des Plasmas und der Erzeugung desselben in der Größenordnung von in etwa 10 Nanosekunden.
Als Messlaser wird vorzugsweise ein gepulster Messlaser verwendet, wobei ein Messpuls des gepulsten Messlasers zu einem Bearbeitungspuls eines gepulsten Bearbeitungslasers zeitverzögert ist, vorzugsweise in der oben angegebenen Größenordnung.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der hier vorliegenden Erfindung wird als Beschichtung auf die zu verfestigende Oberfläche des Bauteils ein kohlenstoffhaltiger Lack auf organischer Basis aufgetragen. Dieser kohlenstoffhaltige Lack auf organischer Basis wird mit Hilfe des Bearbeitungslasers durch Pyrolyse zersetzt, um das Plasma bereitzustellen. Alternativ ist es auch möglich, als Beschichtung eine metallische Folie bzw. einen metallischen Film, insbesondere eine Aluminiumfolie oder einen Aluminiumfilm, auf die zu verfestigende metallische Oberfläche des Bauteils aufzutragen. Derartige Beschichtungen werden mit Hilfe des Bearbeitungslasers durch Verdampfen zersetzt. Anschließend an die Pyrolyse bzw. Verdampfung der Beschichtung erfolgt eine Ionisation mit elektrischer Anregung von beschichtungsspezifischen Atomen oder Molekülen, wobei diese Anregung über die Lichtemissionswerte messtechnisch erfasst werden kann. Dann, wenn kohlenstoffhaltiger Lack auf organischer Basis durch Pyrolyse zersetzt wird, werden vorzugsweise C2- Moleküle oder auch CH-Moleküle oder CH2-Molekühle angeregt. Wird hingegen ein Aluminiumfilm oder eine Aluminiumfolie durch Verdampfen zersetzt, so werden vorzugsweise Al- Atome oder Al2-MoIeMIe angeregt. Die Lichtemissionen dieser spezifischen Atome bzw. Moleküle werden erfindungsgemäß zeitverzögert nach Bildung des Plasmas mit Hilfe des Messlasers erfasst.
Auf Basis der erfassten Lichtemissionswerte ist es möglich, einen Laserschockstrahlprozesse effizient zu regeln. Hierzu werden Istwerte der gemessenen Lichtemissionswerte mit vorgegebenen Sollwerten verglichen, wobei auf Basis einer hierbei festgestellten Abweichung Prozessparameter des Laserschockstrahlprozesses angepasst werden können.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Oberflächenverfestigung eines Bauteil mit Hilfe eines Laserschockstrahlprozesses, wobei mit Hilfe eines von einem Bearbeitungslaser bereitgestellten Laserstrahls eine Beschichtung, die auf eine zu verfestigende, metallische Oberfläche des Bauteils aufgebracht ist, unter Bildung eines Plasmas durch Verdampfung oder Pyrolyse derart zersetzt wird, dass eine durch Wechselwirkung des Plasmas mit der metallischen Oberfläche induzierte Stosswelle die Oberfläche plastisch verformt, und wobei der Laserschockstrahlprozess durch Erfassen von Lichtemissionswerten des Plasmas überwacht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtemissionswerte des Plasmas mit Hilfe eines Messlasers zeitverzögert zur
Zersetzung der Beschichtung mit Hilfe des Bearbeitungslasers erfasst werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messpuls eines gepulsten Messlasers zeitverzögert zu einem Bearbeitungspuls eines gepulsten Bearbeitungslaser erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitverzögerung zwischen der Zersetzung der Beschichtung und der Erfassung der Lichtemissionswerte zwischen 5 und 50 Nanosekunden beträgt.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Beschichtung aus einem kohlenstoffhaltigen Lack auf organischer Basis auf die zu verfestigende, metallische Oberfläche des Bauteils aufgebracht wird, wobei diese Beschichtung mit Hilfe des Bearbeitungslasers durch Pyrolyse zersetzt wird. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Beschichtung ein metallischer Film oder eine metallische Folie, insbesondere ein Aluminiumfilm oder eine Aluminiumfolie, auf die zu verfestigende, metallische Oberfläche des Bauteils aufgebracht wird, wobei diese Beschichtung mit Hilfe des Bearbeitungslasers durch Verdampfen zersetzt wird.
EP08706831A 2007-02-08 2008-01-31 Verfahren zur oberflächenverfestigung metallischer bauteile Withdrawn EP2115176A1 (de)

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