Oberflächenmodifikation von Aluminiumlegierungen mit Laserstrahlung: Prozessverständnis und Schichtcharakterisierung

3 Motivation und Aufgabenstellung (S. 85-86)

Der Stand der Technik beim Laseroberflächenveredeln von Al-Substraten zeigt, dass das Verfahren eine vielversprechende Technologie für die Erzeugung von qualitativ hochwertigen Funktionsschichten darstellt. Im Hinblick auf Leichtbau und Downsizing besteht vor allem im Automobilbau ein hoher Bedarf an Technologien, welche die gesteigerten Anforderungen an die Funktionalität der Al-Bauteile erfüllen können. Trotz der genannten Vorteile und der speziell für Al-Bauteile aufgezeigten Erschließungsmöglichkeiten ist zum jetzigen Zeitpunkt nur die industrielle Umsetzung beim Laserbeschichten von Ventilsitzen des Al-Zylinderkopfes bekannt. Die Gründe dafür sind vor allem:

1. Die hohen Investitions- und Betriebskosten des Laserverfahrens. Ziel muss es daher sein, die zur Verfügung stehende Laserenergie möglichst effizient zu nutzen. Dazu müssen die Einflussfaktoren auf die Energieeinkopplung bekannt sein. Bezüglich der Mechanismen der Energieeinkopplung und der Wechselwirkung zwischen Laserstrahl, Pulver und Al-Substrat zeigt der Stand der Technik jedoch Lücken auf.

2. Die begrenzte Anzahl bekannter kompatibler Zusatzwerkstoffe speziell für Al-Legierungen. Um das eigentliche Potenzial des Verfahrens zu erschließen, ist die Entwicklung neuer Zusatzwerkstoffe notwendig. Diese müssen an die oft gegensätzlichen prozess- und anwendungsspezifischen Anforderungen angepasst sein. Als Grundvoraussetzung für die Entwicklung neuer Zusatzwerkstoffe ist ein fundiertes Prozessverständnis, Kenntnis der Werkstofftechnik und der Phänomenologie der schnellen Erstarrung unerlässlich.

Ziel dieser Arbeit ist:

Durch Messung der Energieeinkopplung und ausgehend von der Leistungsbilanz die einzelnen Nutz- und Verlustleistungen zu berechnen und den Prozesswirkungsgrad zu bestimmen. Dabei soll der Einfluss der Prozessparameter und -führung auf Prozesseffizienz hin untersucht werden. Im Einzelnen sind dabei die laterale und koaxiale

1;Kurzfassung der Arbeit;8
2;Inhaltsverzeichnis;10
3;Verzeichnis der Symbole;14
4;Extended Abstract;20
5;1 Einleitung;24
6;2 Stand der Technik;26
6.1;2.1 Verfahren des Laseroberflächenveredelns von Al- Legierungen;26
6.2;2.2 Physikalische Grundlagen;29
6.2.1;2.2.1 Absorption von Laserstrahlen;29
6.2.2;2.2.2 Wärmeleitung im Bauteil;34
6.2.3;2.2.3 Extinktion an metallischen Partikeln;35
6.2.4;2.2.4 Energieeinkopplung beim Laserbeschichten;42
6.2.5;2.2.5 Vorgänge in der schmelzflüssigen Phase;46
6.2.6;2.2.6 Schichteigenschaften und -fehler;67
6.3;2.3 Grund- und Zusatzwerkstoffe;73
6.3.1;2.3.1 Zusatzwerkstoffe beim Oberflächenveredeln von Al- Legierungen;73
6.4;2.4 Vergleich zu anderen Beschichtungsverfahren;80
6.4.1;2.4.1 Thermische Spritzverfahren;81
6.4.2;2.4.2 Auftragschweißen;82
6.5;2.5 Industrielle Anwendungen und Perspektiven;84
7;3 Motivation und Aufgabenstellung;88
8;4 Versuchsanordnung und untersuchte Werkstoffe;90
8.1;4.1 Untersuchte Grundwerkstoffe;90
8.2;4.2 Untersuchte Zusatzwerkstoffe;91
8.2.1;4.2.1 Metallische Zusatzwerkstoffe;91
8.2.2;4.2.2 Hartstoffverstärkte Zusatzwerkstoffe;92
8.3;4.3 Eingesetzte Strahlquellen;95
8.4;4.4 Pulverdüsen und Pulverförderer;95
9;5 Experimente zur Vertiefung des Prozessverständnisses;98
9.1;5.1 Versuchsbeschreibung zur Prozessbeobachtung;98
9.2;5.2 Oberflächenströmung beim Laserumschmelzen;100
9.3;5.3 Beobachtungen beim Dispergieren mit karbidischen Hartstoffen;104
9.4;5.4 Beobachtungen beim Beschichten mit Pulvermi-schungen;119
9.5;5.5 Beobachtungen beim Beschichten mit metallischen Zusatzwerkstoffen;120
9.5.1;5.5.1 Startphase des Beschichtungsprozesses;121
9.5.2;5.5.2 Einfluss der Pulverförderrate und des Zusatzwerkstoffes;122
9.5.3;5.5.3 Einfluss der Laserleistung;126
9.5.4;5.5.4 Einfluss der Vorschubgeschwindigkeit;129
9.5.5;5.5.5 Einfluss des Schutzgases;129
9.5.6;5.5.6 Einfluss der Vorschubrichtung;133
9.6;5.6 Synopsis;135
10;6 Untersuchungen zur Prozesseffizienz;137
10.1;6.1