SB_12.643B_Leseprobe

2002
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Laserstrahldispergieren
von Titanwerkstoffen zur
Herstellung boridverstärkter
hochverschleißfester
und
korrosionsbeständiger
Oberflächen

Laserstrahldispergieren von
Titanwerkstoffen zur
Herstellung boridverstärkter
hochverschleißfester und
korrosionsbeständiger
Oberflächen
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 12.643 B
DVS-Nr.: 06.038
Institut für Fertigungstechnik/
Schweißtechnik TU Chemnitz
Lehrstuhl für Verbundwerkstoffe
TU Chemnitz
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 12.643 B / DVS-Nr.: 06.038 der Forschungsvereinigung Schweißen und
verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die AiF im
Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen
Bundestages gefördert.

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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
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unter: http://dnb.dnb.de
© 2009 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 14
Bestell-Nr.: 170123
ISBN: 978-3-96870-013-7
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
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„Laserdispergieren mit Boriden an TiAl6V4“
Inhaltsverzeichnis
0 Zusammenfassung................................................................................................ III
1 Einleitung ............................................................................................................... 1
2 Problemstellung...................................................................................................... 1
2.1 Motivation............................................................................................................... 1
2.2 Wissenschaftliche Zielstellung................................................................................ 1
3 Bisheriger Stand der Wissenschaft und Technik..................................................... 2
3.1 Lasertechnik........................................................................................................... 2
3.1.1 Charakteristika ....................................................................................................... 3
3.1.2 Parameter und Kenngrößen der Lasermaterialbearbeitung .................................... 4
3.1.3 Lasersysteme/ Strahlquellentypen.......................................................................... 5
3.1.3.1 CO 2 -Gaslaser ......................................................................................................... 6
3.1.3.2 Nd:YAG-Festkörperlaser ........................................................................................ 7
3.1.4 Anwendungsmöglichkeiten..................................................................................... 7
3.1.4.1 Laserstrahlschweißen............................................................................................. 7
3.1.4.2 Laserstrahlschneiden ............................................................................................. 9
3.1.4.3 Laserstrahlbeschichten........................................................................................... 9
3.1.4.4 Laserstrahloberflächenbehandlung....................................................................... 11
3.1.4.5 Aufgaben der Schutz- und Prozessgase............................................................... 12
3.2 Titan und Titanlegierungen................................................................................... 12
3.2.1 Mikrostruktur, Eigenschaften und Anwendungsbereiche ...................................... 12
3.2.2 Methoden zum Modifizieren der Oberflächen von Bauteilen aus Titanlegierungen14
3.2.3 Prüfung des Verschleiß- und Korrosionsverhaltens .............................................. 15
3.2.4 Zweistoffsystem Ti-B ............................................................................................ 16
3.2.5 Methoden zur Oberflächen-Vorbehandlung .......................................................... 17
3.2.5.1 Mechanische Vorbehandlung ............................................................................... 17
3.2.5.2 Chemische Vorbehandlung .................................................................................. 17
4 Versuchsdurchführung ......................................................................................... 18
4.1 Allgemeine Vorversuche....................................................................................... 18
4.1.1 Herstellung der Probenbleche .............................................................................. 18
4.1.2 Charakterisierung der verwendeten Zusatzstoffe.................................................. 18
4.1.3 Festlegung der Prozessparameter........................................................................ 19
4.1.4 Vorbehandlung der Probenbleche ........................................................................ 21
4.2 Laserdispergieren/-legieren.................................................................................. 22
4.2.1 Laserlegieren mit elementarem Bor...................................................................... 22
4.2.1.1 Vorbereitung......................................................................................................... 22
4.2.1.2 Laserbehandlung.................................................................................................. 23
4.2.1.3 Entwicklung einer Schutzgasglocke...................................................................... 24
4.2.2 Laserdispergieren mit Diboriden (XB 2 ).................................................................. 26
4.2.3 Laserdispergieren von Sonotroden mit XB 2 .......................................................... 28
4.3 Methoden zum Charakterisieren der Randschichten ............................................ 31
4.3.1 Materialographische Untersuchungen .................................................................. 31
4.3.2 Verschleißuntersuchungen................................................................................... 31
4.3.2.1 Schwingverschleißprüfung.................................................................................... 31
4.3.2.2 Kavitationsprüfung................................................................................................ 32
4.3.3 Korrosionsuntersuchungen................................................................................... 33
VI

„Laserdispergieren mit Boriden an TiAl6V4“
5 Ergebnisse und Diskussion .................................................................................. 34
5.1 Technologische Erkenntnisse............................................................................... 34
5.2 Mikrostruktur der Randschicht .............................................................................. 38
5.3 Verschleißverhalten.............................................................................................. 43
5.3.1 Schwingverschleißprüfung.................................................................................... 43
5.3.2 Kavitationsverschleißprüfung................................................................................ 46
5.4 Korrosionsverhalten.............................................................................................. 48
5.5 Verhalten bei mechanischer Bearbeitung ............................................................. 52
6 Schlussfolgerungen.............................................................................................. 53
6.1 Wissenschaftlich technischer Nutzen ................................................................... 53
6.1.1 Allgemeine technologische Aussagen .................................................................. 53
6.1.2 Einschätzung der Makrostruktur ........................................................................... 53
6.1.3 Einschätzung der Mikrostruktur und Mikrohärte.................................................... 54
6.2 Wirtschaftlicher Nutzen, insbesondere für kmU .................................................... 55
6.3 Neuigkeitsgehalt................................................................................................... 56
6.4 Industrielle Anwendungsmöglichkeiten................................................................. 56
7 Publikationen........................................................................................................ 57
7.1 Veröffentlichungen ............................................................................................... 57
7.2 Vorträge ............................................................................................................... 57
8 Literatur................................................................................................................ 58
VII

„Laserdispergieren mit Boriden an TiAl6V4“
1 Einleitung
In Industrie und Forschung sind innovative Lösungen von zunehmender Bedeutung, da die
bekannten Technologien oftmals ausgereizt sind oder speziellen Anforderungen nicht
genügen. Die Bereitstellung neuer werkstofftechnischer Lösungen bietet hier Ansatzpunkte.
Insbesondere die Verwendung von Leichtmetallwerkstoffen wie Aluminium oder Titan führte
in den vergangenen Jahren zu einer Substitution von Stahlwerkstoffen auf den verschiedensten
Gebieten der Technik. Ausschlaggebend für den Einsatz von Titanlegierungen sind das
hervorragende Verhältnis von Festigkeit und Dichte sowie der hohe Korrosionswiderstand.
Einsatzgebiete der mit einem Marktanteil von etwa 65 % am weitesten verbreiteten Legierung
TiAl6V4 sind die Medizintechnik (Implantate), in der Kunststoffindustrie (Düsen für
Spritzgießwerkzeuge), in der chemischen Industrie (Rührelemente, Sonotroden), in der
Automobilindustrie (Ventile, Ventilfedern, Verbindungsstangen), in der Kraftwerkstechnik
(Turbinenschaufeln) und nicht zuletzt in der Luft- und Raumfahrtindustrie (Triebwerksteile).
Auf Grund der ungenügenden Verschleißbeständigkeit ist der Einsatzbereich von Titanwerkstoffen
jedoch eingeschränkt. Um Titanwerkstoffe auch unter tribologischer Beanspruchung
einsetzen zu können, ist eine geeignete Oberflächenmodifizierung erforderlich. Die bisher
vorliegenden Ergebnisse zur Oberflächenbehandlung mittels verschiedener Verfahren
zeigen Schwierigkeiten auf, eine geeignete Technologie zu entwickeln und zur Verfügung zu
stellen.
Das vorliegende Projekt erweitert die Kenntnisse zur laserstrahlbasierten Randschichtbehandlung
von TiAl6V4.
2 Problemstellung
2.1 Motivation
Die Untersuchungen zielen auf das Erarbeiten der verfahrens- und legierungstechnischen
Grundlagen zur Randschichtbehandlung von TiAl6V4 mittels Laserlegieren/ -dispergieren ab.
Durch Boridverstärkung soll eine Verbesserung des Verschleißverhaltens von TiAl6V4 ohne
wesentliche Minderung der Korrosionsbeständigkeit erreicht und damit der Einsatz von
Titanwerkstoffen unter tribologischer Beanspruchung ermöglicht werden. Durch den Einbau
der Hartstoffphase in die duktile metallische Matrix soll ein geeignetes Randschichtgefüge
realisiert werden. Boride zeichnen sich durch eine hohe Härte und hervorragende chemische
Beständigkeit aus. Als Zusatzstoffe kommen zum Laserlegieren elementares Bor und zum
Laserdispergieren sowohl arteigene als auch artfremde Diboride zum Einsatz.
2.2 Wissenschaftliche Zielstellung
Die wissenschaftliche Zielstellung besteht in der Ermittlung einer geeigneten Prozessführung
einschließlich Vorbehandlung für das Laserlegieren/ -dispergieren in Abhängigkeit von den
eingesetzten Zusatzstoffen, und dem Korrelieren der Prozessführung mit der resultierenden
Makro- und Mikrostruktur der Randschichten sowie den darauf beruhenden Gebrauchseigenschaften.
Unter der Makrostruktur wird die Geometrie der Randschicht verstanden. Die
Mikrostrukturuntersuchungen zielen auf das Charakterisieren des Gefüges im Umschmelzbereich
bzw. in der Wärmeeinflusszone mit Bestimmung der enthaltenen Phasen.
1

„Laserdispergieren mit Boriden an TiAl6V4“
Für die Durchführung des Projektes ergeben sich folgende Schwerpunkte:
• Ermitteln geeigneter Verfahren für die Oberflächenvorbehandlung,
• Anpassen der Anlagentechnik,
• Erarbeiten eines anwendbaren Prozessparameterfeldes für das Laserlegieren/
-dispergieren,
• Charakterisierung der Randschichtgeometrie,
• Charakterisierung der Mikrostruktur und Mikrohärte-Untersuchungen,
• Durchführung von Verschleiß- und Korrosionsuntersuchungen,
• Behandlung von Realbauteilen (Sonotroden zum Vermischen von Flüssigkeiten).
Die Oberflächenvorbehandlung ergibt sich aus der Notwendigkeit, die für Titanwerkstoffe
typische Oxidschicht zu entfernen und das Einkoppeln des Laserstrahls zu optimieren. Das
Anpassen der Anlagentechnik ist insbesondere für das Vermeiden von Sauerstoffzutritt zum
Schmelzbad erforderlich. Durch Variation des Fokusabstandes, des Vorschubs, des Spurabstandes
sowie der Schutzgasart und Laserleistung erfolgt das Ermitteln geeigneter Prozessparameterfelder.
Als Zusatzstoffe werden pulverförmige Boride (TiB 2 , ZrB 2, CrB 2 ) unterschiedlicher
Körnung sowie elementares Borpulver eingesetzt. Dabei werden unterschiedliche
Wege zum Einbringen des Zusatzstoffs untersucht und optimiert. Die Untersuchungen
werden an Probenmaterial mit einer Dicke von 10 mm durchgeführt. Dies macht eine
beidseitige Bearbeitung ohne Beeinflussung des Randschichtgefüges durch den ersten
Prozessschritt zugänglich.
Die Ermittlung der Randschichtgeometrie und der Mikrostruktur nimmt eine zentrale Stellung
ein, da die Ergebnisse einerseits für die Optimierung der Prozessparameter und andererseits
als Grundlage für das Bewerten der Ergebnisse aus Verschleiß- und Korrosionsuntersuchungen
verwendet werden. Die Mikrohärte ist eine schnell zugängliche Eigenschaft, die
unter Berücksichtigung des Gefüges Anhaltspunkte für die Werkstofffestigkeit bietet.
Die Verschleiß- und die Korrosionsuntersuchungen werden an ausgewählten Proben unter
definierten Bedingungen durchgeführt. Nach Absprache mit dem pbA wird die Verschleißbeständigkeit
durch den Schwingverschleißtest sowie durch die Kavitationsprüfung nach ASTM
G 32 - 92 bestimmt.
Anhand eines realen Bauteiles (Sonotrode zum Vermischen von Flüssigkeiten) werden
zusätzlich praxisrelevante Ergebnisse zur Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit von
Bauteilen aus TiAl6V4 mit laserdispergierten Oberflächen ermittelt. Als hoch belastete Zone
ist hier die Stirnseite der Sonotrode zu nennen, an der bevorzugt kavitativer Verschleiß zu
beobachten ist.
3 Bisheriger Stand der Wissenschaft und Technik
3.1 Lasertechnik
LASER ist die Kurzbezeichnung für Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation,
also Lichtverstärkung durch stimulierte Strahlungsemission. Die Grundlagen erarbeitete 1917
Albert Einstein mit der Quantentheorie. 1960 gelang der Firma Hughes der Bau des ersten
Lasers auf Basis eines Rubinkristalls.
2

„Laserdispergieren mit Boriden an TiAl6V4“
3.1.1 Charakteristika
Von grundlegender Bedeutung für die Funktion des Lasers ist der Prozess der stimulierten
oder induzierten Emission [1]. Dieser tritt mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit ein, wenn
ein angeregtes Atom, Ion oder Molekül mit einer elektromagnetischen Strahlung, deren
Frequenz einer Energiedifferenz zwischen dem angeregten und einem Zustand niedrigerer
Energie entspricht, wechselwirkt. Hierdurch erfolgt ein Übergang in den Zustand geringerer
Energie, wobei die Anregungsenergie als gleichphasiges und gleichgerichtetes Photon
emittiert und so das Strahlungsfeld verstärkt wird. Voraussetzung für diese Verstärkung ist,
dass das energetisch höhere Niveau stärker besetzt ist als das tiefere, da sonst die Schwächung
der Strahlung durch Absorption die Verstärkung durch stimulierte Emission übertreffen
würde. Unter Absorption ist ein Übergang vom niederen zum höheren Zustand zu verstehen,
wobei ein Lichtquant, dessen Energie gerade gleich dem energetischen Abstand zweier
Niveaus ist, absorbiert und ein Elektronensprung induziert wird.
In der Natur kommt jedoch im thermodynamischen Gleichgewicht eine solche Besetzungsinversion
- Umkehrung des normalen Besetzungszustandes - nicht vor, weshalb dem aktiven
Lasermedium von außen Energie zugeführt werden muss. Als aktive Lasermedien sind
Gase, Flüssigkeiten und Festkörper mit metastabilen Energiezuständen geeignet. Angeregte
Elektronen kehren normalerweise nach etwa 10 -8 s - 10 -7 s wieder in den Grundzustand
zurück, während die Aufenthaltswahrscheinlichkeit in metastabilen Niveaus bis zu 1 s
beträgt. Die Energiezufuhr sorgt dafür, dass die metastabilen Niveaus gefüllt werden. Dieser
Vorgang wird auch als Pumpen bezeichnet. Je nach Lasertyp werden verschiedene Formen
der Energiezufuhr eingesetzt. Die Anregung erfolgt bei:
• Gaslasern
• Festkörperlasern
• Diodenlasern
durch Elektronen- und Ionenstöße einer Gasentladung
durch intensive Strahlung einer thermischen Hochleistungslichtquelle
elektrisch durch Zufuhr von Ladungsträgern in einen p-n-Übergang
Metastabile Niveaus lassen sich aus quantenphysikalischen Gründen nicht direkt, sondern
nur über den Umweg eines dritten Niveaus füllen, so dass Laser immer mit drei oder gar vier
Niveaus betrieben werden. Bild 1 stellt die Vorgänge im 4-Niveau-System, nach dem die
wichtigsten Lasertypen arbeiten, dar.
Laserstrahlung ist eine qualitativ hochwertige Strahlung, deren Bandbreite je nach aktivem
Lasermaterial vom ultravioletten bis zum infraroten Laserlicht reicht. Die charakteristischen
Eigenschaften der Laserstrahlung sind:
• zeitliche und räumliche Kohärenz gleiche Phasenbeziehungen zu verschiedenen
Zeiten an verschiedenen Orten im Raum und damit
die Möglichkeit der Lichtverstärkung
• hohe Monochromasie Aussenden von Licht einer eng begrenzten
Wellenlänge
• hohe Bündelungsschärfe verlustarme Übertragung der Laserstrahlung über
größere Entfernungen durch geringe Divergenz
(Strahlaufweitung)
• hohe Intensität
sehr hohe Temperaturen an Werkstückoberflächen
durch Fokussierung des Lichtbündels zugänglich
3