Near-net-shape Beschichten von Aluminiumlegierungen mittels Laserstrahl
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Maßgebliches Ziel des Vorhabens bestand in der Erhöhung der Verschleißbeständigkeit eines Grundwerkstoffs aus einer Aluminiumlegierung mittels Laserbeschichten mit einer Aluminiumbronzelegierung. Die Arbeitshypothese des Vorhabens bestand darin, dass gepulste Laserstrahiung aufgrund gezielter Energiedeposition zur Erfüllung folgender Anforderungen zielführend sei: 1. geringe Auf- und Durchmischung von Grund- und Beschichtungswerkstoff, 2. hohe Beschichtungsqualität und 3. geringer Verzug. Die Erfüllung dieser Anforderungen verlangte hohen Aufwand im Bereich experimenteller Arbeiten, um geeignete Parameter zu erarbeiten. Insbesondere die Erkenntnis, dass Eigenspannungsmessungen aus systematischen Gründen nicht wie geplant erfolgen konnten, führte zur Entscheidung den Fokus auf die Arbeitspakete zur prozesstechnischen Untersuchung und Werkstoffuntersuchungen zu legen. Die Untersuchungen wiesen nach, dass eine gepulste Leistung gegenüber kontinuierlicher Laserleistung zielführend ist, um Auf- und Durchmischung gering zu halten. Es wurde ein direkter Zusammen zwischen Aufmischung und Beschichtungsqualität ermitteil Hohe Aufmischung führt zu sinkender Beschichtungsqualität. Als Ursache wurden sich durch Stöchiometrie und Abkühlrate bildende spröde, harte Phasen ermittelt. Eine interessante Feststellung in den Untersuchungen war, dass sich die Einschmelztiefe unabhängig von Vorschubgeschwindigkeiten, Pulsformen und -frequenzen nicht änderte. Die mittlere Laserleistung durch gepulste Bestrahlung konnte gegenüber kontinuierlicher Bestrahlung verzugminimierend und unter Beibehaltung hoher Beschichtungsqualität reduziert werden. Die FEM-Simulation zeigte höchste Eigenspannungsamplituden innerhalb der Beschichtung an. Diese zeigten in Tangentialrichtung und wiesen Druckspannungen von maximal ca. 400 MPa auf. Durch das Vorzeichen sind diese allerdings zunächst als unkritisch zu bewerten. Gegenüber der ursprünglichen Planung wurden Arbeiten zur Verschleißcharakterisierung intensiviert. Im Ball-on-Plate-Test konnte gezeigt werden, dass die Aluminiumbronzebeschichtung zu 36facher Verringerung des Verschleißvolumens gegenüber der Aluminiumoberfläche führt. Der Reibungskoeffizient konnte durch die Beschichtung halbiert werden. Eine Steigerung der Oberflächenhärte von ca. 75HV0,1 bei Alumium auf ca. 240 HV0,1 bei Aluminiumbronzebeschichtung optimaler Beschichtungsqualität wurde erzielt. Hohe Beschichtungsqualität konnte im Rahmen des Vorhabens von unter 0,5 mm bis über 1,5 mm mittels gepulster Strahlung sichergestellt werden. Es ist zu erwarten, dass dieses Intervall durch weitere Variation des Strahldurchmessers und der Pulverförderrate erweitert werden kann. Das identifizierte Intervall qualitativ hochwertig darzustellender Beschichtungshöhen erlaubt eine endkonturnahe Beschichtung von Bauteiloberflächen. Die Ergebnisse des Vorhabens haben großes Anwendungspotenzial. Eine Übertragung auf Motorenkomponenten, die zumeist aus der im Vorhaben betrachteten Aluminiumlegierung 6082 bestehen, erscheint technisch möglich. Ventilsitze könnten beispielsweise direkt mit dem gepulsten Laserbeschichtungsprozess an entsprechender Position in Zylinderköpfe eingebracht werden. Ein weiteres denkbares Einsatzgebiet ist die Umformtechnik. Das Verfahren könnte zur lokalen Erhöhung der Verschleißbeständigkeit von Umformwerkzeugen bzw. zum Reduzieren des Reibungskoeffizienten eingesetzt werden. Wesentliche Erkenntnisse dieses Vorhabens sind in das Projektkonzept „Oberflächenbeschichtung für das schmierstofffreie Tiefziehen hochlegierter rostfreier Stähle" im SPP Trockenbearbeitung eingeflossen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Generation of low dilution aluminum-bronze laser cladding on aluminium parts; Poster auf der European Conference on Aluminium Alloys - ECAA, Bremen (05.-07.10.2011)
Dias da Silva, M.; Partes, K.; Seefeld, T.; Vollertsen, F.
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Comparison of coaxial and off-axis nozzle configuration in one step process laser cladding on aluminum substrate; Journal of Materials Processing Technology 212 (2012) 2514-2519
Dias da Silva, M.; Partes, K.; Seefeld, T.; Vollertsen, F.
