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 Pulverzufuhr sowie der Nd:YAG-, CO2- und Diodenlaser miteinander zu vergleichen.

Die werkstoffkundliche Charakterisierung und Bewertung verschiedener homogener und heterogener Schichtsysteme hinsichtlich Gefüge. Dabei soll anhand bereits eingesetzter Al- und Cu-Basislegierungen der Einfluss der Prozessparameter und der schnellen Erstarrung auf das Schichtgefüge und die -eigenschaften analysiert werden. Außerdem sollen unterschiedliche Karbidarten auf ihre Eignung zum Laserdispergieren und -beschichten untersucht werden. Dazu werden Pulvermischungen aus der duktilen AlSi12-Legierung und karbidischen Hartstoffen wie Wolfram-, Titan- und Siliziumkarbid verwendet und die erzielbare Schichtqualität bewertet.