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Laserstrahlsintern von Keramikschutzschichten auf Metall

Ergebnisse

Stahl 1.4301



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Abb.1: REM- Aufnahme der Oberfläche der gesinterten Schicht auf Stahl 1.4301 mit Ausschnittsvergrößerung
Schichtdicke 12µm

Auf Stahl 1.4301 konnten nach Bestrahlung mit der CO2- Laserwellenlänge grundsätzlich keine rissfreien Keramikschichten erzeugt werden. Fast unabhängig von den Bearbeitungsparametern bildet sich die Schicht in ca. 15 µm großer schollenförmiger Struktur aus, die von 2-3µm breiten Rissen umgeben sind (siehe Abb. 1).

Die Ursache für die Rissentstehung wird in der Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen keramischer Schicht und Substrat von 4,2 x 10–6/K gesehen. Weiteren Einfluss nimmt die Laserwellenlänge: CO2- Laserstrahlung wird zu 63% in ca. 1µm Tiefe der Keramikschicht absorbiert.

Dieses Verhalten in Verbindung mit der geringen Wärmeleitfähigkeit der Schicht führt dazu, dass die mit der Sinterung der Schicht verbundene Kontraktion noch während der Ausdehnung des Metalls geschieht. Diese gegenläufigen Mechanismen können neben der Rissbildung zu partiellen Abplatzungen bzw. einer geringen Haftfestigkeit der Schicht auf dem Substrat führen.

 

 

 

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Abb.2: REM- Aufnahme der Oberfläche der gesinterten Schicht auf Stahl 1.4301 mit Ausschnittsvergrößerung
Schichtdicke 10µm

Nd: YAG- Strahlung dagegen transmittiert die Keramik fast vollständig und wird erst auf der Metalloberfläche absorbiert. Das führt zu einer gleichmäßigeren, indirekten Erwärmung der Schicht. Die Temperaturdifferenz zwischen Metalloberfläche und Keramikschicht ist auf diese Weise minimal, woraus ein besserer Verbund zwischen Schicht und Substrat resultiert. Abplatzungen konnten vollständig vermieden werden. Thermisch induzierte Risse in der keramischen Schicht wurden teilweise geschlossen (Abb. 2). Querschliffe der Proben zeigten, dass während der Bearbeitung Metallschmelze in die Spalten zwischen den Keramikschollen ein-gedrungen ist. Auf ihrer Oberfläche befindet sich eine 2...3 µm dicke Schicht stängelförmiger Kristallite, die aus Mischkristallen von Al2O3 und FexOy besteht. Durch die Nd: YAG- Laser Bearbeitung wird außerdem die Kristallitgröße der gesinterten Schicht verändert. Trotz starker Verringerung der Bearbeitungszeit zur Einschränkung des Kristallwachstums wurden durchschnittliche Korngrößen von 1 µm gemessen. Das entspricht dem 5-facher Wert der Ausgangsgröße.

 

 

 

Stahl 1.3981

Dieser Fe- Ni- Co- Stahl zeichnet sich durch den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie die Keramik aus. Die Ergebnisse der Untersuchungen bestätigen dessen entscheidenden Einfluss. Unter der Voraussetzung einer gleichmäßigen Schichtdicke (an den Randbereichen der Proben war dies aufgrund der Herstellungstechnologie der Schichten nicht immer gegeben) konnten Schichten erzeugt werden, die den Zielstellungen des Projektes entsprechen (siehe Abb. 3 und 4.). Sie zeichnen sich aus durch:

  • Rissfreiheit
  • hohe Haftfestigkeit
  • hohe Verdichtung
  • hohe Feinkristallinität.

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Abb.4: REM- Aufnahme des Querschliffs der gesinterten Schicht auf Stahl 1.3981 mit Ausschnittsvergrößerung
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Abb.3: REM- Aufnahme der Oberfläche der gesinterten Schicht auf Stahl 1.3981 mit Ausschnittsvergrößerung
Schichtdicke 10µm

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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Erstellt: 07.02.2012 15:48:26 | Letzte Änderung: 21.03.2003 13:38:57 | Autor: Anne-Maria Reinecke
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