Schichthomogenität und -eigenschaften beim tiefen Laserlegieren von Aluminium
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel dieses Vorhabens war es, die dominierenden Triebkräfte der Partikelverteilung der Zusatzwerkstoffe in dem erstarrten Schmelzgut beim Tieflegieren zu identifizieren. Dazu wurde ein Simulationsmodell aufgestellt und iterativ überarbeitet, mit dem die Effekte beim Lasertieflegieren numerisch berechnet werden können. Die Versuchsaufbauten zum Lasertieflegieren wurden realisiert und experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Die Hartpartikel konnten beim Lasertieflegieren erfolgreich in die Oberfläche eingebracht und über eine große Tiefe der Randschicht verteilt werden. Es wurden verschiedene Modulationsstrategien und -breiten erprobt und Modulationsfrequenzen bis 50 Hz variiert. Der Einfluss unterschiedlicher Aluminiumsubstrate auf die Verteilung der Hartpartikel wurde untersucht. Es wurden bei den Versuchen zwei unterschiedliche Hartpartikelsorten eingesetzt. Die Laserleistung, die Vorschubgeschwindigkeit, die Pulverförderrate und der Transportgasdruck wurden variiert. Die Untersuchungen zeigten, dass die Prozessparameter und insbesondere die räumliche Modulation des Laserstrahls in den bisher betrachteten Parameterbereichen keinen signifikanten Einfluss auf die resultierende Partikelverteilung beim Lasertieflegieren hatten. Die tribologischen Untersuchungen haben gezeigt, dass eine Mindestmenge an Pulver im Schmelzbad platziert werden muss, um eine Verbesserung der Verschleißeigenschaften zu erzielen. Es ist festzuhalten, dass hinsichtlich der Untersuchungen bzw. Ergebnisse zwischen zwei Effekten zu unterscheiden ist: einerseits die Vorgänge beim Auftreffen der Partikel auf das Schmelzbad und andererseits die Bewegungen der Partikel im Schmelzbad. Die Effekte beim Auftreffen der Partikel auf das Schmelzbad hatten einen Einfluss auf die Einbringeffektivität bzw. den resultierenden Partikelanteil. Wesentliche Einflussfaktoren wie die Pulverförderrate und der Transportgasdruck konnten ermittelt werden. Weiterhin hatte die Benetzung der Partikel einen Einfluss auf die Einbringeffektivtät der Partikel beim Lasertieflegieren. Dies zeigte sich in den Untersuchungen mit unterschiedlichen Grundwerkstoffen. Bei der Verwendung von reinem Aluminium war die Einbringeffektivität niedrig, da bei diesem Werkstoff die höchste Oberflächenspannung vorhanden war. Dagegen konnte die Einbringeffektivtät der Partikel bei den Aluminiumlegierungen gesteigert werden, da bei höherem Gehalt an Legierungselementen die Oberflächenspannung sinkt. In dem bisher betrachteten Parameterbereich konnten die Simulationsergebnisse zeigen, dass die Dichte der Pulverpartikel eine unterordnete Rolle spielte. Es wird jedoch vermutet, dass die unterschiedliche Dichte der Partikel einen entscheidenden Einfluss auf die Verteilung der Partikel haben. Eine höhere Dichte bzw. ein höheres Gewicht bringt auch eine höhere Trägheit mit sich. In der Schmelze werden die Partikel über die Reibkräfte mit der Schmelze in Bewegung versetzt bzw. beschleunigt. Die dafür erforderliche Kraft zur Beschleunigung der Partikel im Schmelzbad nimmt mit der Masse der Partikel linear zu. Es ist daher theoretisch denkbar, dass die um den Faktor vier größere Dichte der WC-Teilchen gegenüber den TiB2- Teilchen die Trägheitskräfte entsprechend erhöht, so dass das Beharrungsvermögen der WC-Teilchen wesentlich größer ist, als bei den TiB2-Teilchen. Das heißt, dass Partikel mit einer höheren Dichte eine größere Strömungsgeschwindigkeit bzw. größere Reibkräfte benötigen. Diese notwendige Reibkraft der Schmelze bzw. die Beschleunigungskraft muss auch lang genug auf die Partikel einwirken, um die Trägheitskräfte zu überwinden und somit die Partikel in Bewegung versetzen zu können. Es wird vermutet, dass die Schmelzbadströmung bzw. die Wirkzeit, in dem bisher betrachteten Parameterraum nicht ausreichte, um einen Transport der Hartpartikel in der niedrigviskosen Aluminiumschmelze definiert steuern zu können und daher die Ergebnisse der Untersuchungen in der Förderperiode keinen Einfluss der Dichte auf die Verteilung der Partikel aufwiesen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Particle property impact on its distribution during laser deep alloying processes. Physics Procedia 56 (2014), 1094-1101
Volpp, J.; Dietz, T.; Vollertsen, F.
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Verschleißfeste Randschichtbereiche mittels Tieflegieren. In: Schweißen und Schneiden 66, 7 (2014) 383-384
Volpp, J.
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Impact of process parameters on particle distribution and wear resistance during laser deep alloying processes. Proc. of the International Congress on Laser Advanced Materials Processing (LAMP2015). Japan Laser Processing Society (2015)
Volpp, J.; Zingraf, A.; Vollertsen, F.
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Verschleißeigenschaften von lasertiefdispergierten Aluminiumrandschichten. In: DGM Magazin diALOG 4 (2016) 109
Volpp, J.; Vollertsen, F.
