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Oberflächenstrukturierung mittels Laserimplantation ist anwendbar zur Positivstrukturierung mit TiB2, führt zu signifikanter Härtesteigerung und Verschleißfestigkeit an verschleißgefährdeten Werkzeugen.
Die Steuerung der Implantgeometrie ist durch die Prozessparameter möglich.
Die flexible Anordnung implantierter Bereiche ermöglicht die Erzeugung komplexer Muster zur Beeinflussung des tribologischen Verhaltens.
Laser metal deposition (LMD) has been applied as coating technology for many years. Today, the technologies capacity to produce 3D depositions leads to a new field of application as additive manufacturing method. In this paper, 3D laser metal deposition of titanium alloy Ti-6Al-4V is studied with special regard to the demands of additive manufacturing. Therefore, only the powder nozzle is used to create the shielding gas atmosphere, which ensures high geometric flexibility. Furthermore, specimen with high aspect ratio and hundreds of layers are manufactured, which represent typical features in additive manufacturing.
In this paper, titanium-di-boride is dispersed on a cold-working tool steel by use of a pulsed fiber laser with high beam quality to produce separated and elevated surface features. The potential to adjust the geometry as well as the mechanical properties of the produced structures in dependence on the process parameters (pulse power, pulse duration) is described by means of metallographic and topographical investigations. It can be ascertained that very hard (hardness > 1000 HV1) surface features of different shape (spots and short lines) can be produced. They are characterized by a fine-grained microstructure resulting from a rapid solidification and finely dispersed TiB2 particles. Finally, the paper proposes different applications for this structuring technique.
In einer Vielzahl technischer Anwendungen spielt die Aufrechterhaltung eines definierten Reibungs- und Verschleißverhaltens zwischen bewegten Oberflächen für die Sicherheit und Funktionalität eine ent-scheidende Rolle. Die Oberflächentechnik versucht durch geeignete Verfahren die Randschichten zu ertüchtigen, um Reibung und Verschleiß zu kontrollieren. Eine Verbesserung der Materialeigenschaften kann durch flächige Beschichtungen erreicht werden. Zusätzlich ermöglichen Oberflächenstrukturierun-gen breite Möglichkeiten zur Beeinflussung des Schmierungszustandes bzw. der Kontaktbedingungen. Neben immateriellen Strukturen bieten ebenfalls erhabene Mikrostrukturen großes Potenzial zur Beein-flussung des tribologischen Verhaltens. Ihr Einsatz ist aufgrund der Verschleißproblematik erhabener Strukturen, sowie verschiedener technischer als auch wirtschaftlicher Problemstellungen, bei ihrer Her-stellung momentan limitiert.
In diesem Beitrag wurde das Verfahren der Laserimplantation angewandt, um ebendiese Problemstellun-gen zu überwinden. Das Verfahren basiert auf einem lokalisierten Dispergieren von Hartstoffpartikeln, wodurch erhabene und separierte Oberflächenstrukturen hoher Verschleißfestigkeit in einem Fertigungs-schritt erzeugbar sind. Hierfür wurde erstmalig ein gepulster Faserlaser mit hoher Strahlqualität, zur Er-zeugung punkt- und linienförmiger Mikrostrukturen, angewandt. Versuche wurden auf dem Kalt-arbeitsstahl X153CrMoV12, unter Anwendung von Titandiborid als Hartstoff, durchgeführt. Anhand von Härtemessungen konnte gezeigt werden, dass sowohl punkt- als auch linienförmige Strukturen mit Här-ten über 1000 HV1 und einer feinkörnigen Mikrostruktur mit feinverteilten Hartstoffpartikeln herstellbar sind. Des Weiteren war es möglich die Implantgeometrien, welche an Querschliffen und durch Weißlicht-interferometeraufnahmen erfasst wurden, durch die Pulsleistung und Pulsdauer zu steuern.
Laser metal deposition (LMD) has been applied as a coating technology for many years. Today, the technologies capacity to produce 3D depositions leads to a new field of application as additive manufacturing method. In this paper, 3D laser metal deposition of titanium alloy Ti-6Al-4V is studied with special regard to the demands of additive manufacturing. Therefore, only the coaxial LMD powder nozzle is used to create the shielding gas atmosphere, which ensures high geometric flexibility. Furthermore, specimen with high aspect ratio and hundreds of layers are manufactured, which represent typical features in additive manufacturing. The presented study contains the following steps: First, cylindrical specimens are manufactured with a standard shell-core build-up strategy and mechanical properties as well as fracture mechanisms are determined. Based on the results, experiments are conducted to improve the build-up strategy and new tensile test specimens are built with the improved strategy. The improved strategy incorporates variable track overlap ratios to achieve a constant growth in the shell and core area. As blanks, lean cylinders comprising more than 240 layers and a height of more than 120mm are manufactured. The specimens are analyzed by X-ray inspection for material defects. Fractured surfaces are observed via scanning electron microscopy and the composition of the surfaces is determined using energy dispersive X-ray spectroscopy. The tensile test results prove mechanical properties close to ASTM F1108 specification for wrought material.
Die Laserimplantation erlaubt die Herstellung verschleißbeständiger, erhabener Mikrostrukturen (Im-plants) auf Stahloberflächen, durch ein diskontinuierliches dispergieren von keramischen Partikeln mittels gepulster Laserstrahlung. Durch die flexible Anordnung separierter Implants zu komplexen Mustern erlaubt das Verfahren eine gezielte Oberflächenstrukturierung zur Beeinflussung des Reibungs- und Verschleißverhaltens. Insbesondere erwies sich Titandiborid (TiB2) als Implantationsmaterial für geeignet, da eine Manipulation der Implantgeometrie in einem breiten Bereich vorgenommen werden kann, ohne dass Materialdefekte, wie Risse oder Poren auftreten. Zudem weisen die Implants auf Kaltarbeitsstahlwerkzeugen Härtewerte von bis zu 1800 HV1 auf. Hierdurch lassen laserimplantierte Oberflächen eine deutlich höhere Verschleißbeständigkeit im Vergleich zu umschmelzstrukturierten Wirkflächen erwarten. Daher eignet sich das Verfahren insbesondere zur Strukturierung hochbelasteter Wirkflächen, wie sie an Umform- oder Schneidwerkzeugen zu finden sind.
Ziel der Untersuchungen ist es, den Einfluss laserimplantierter TiB2-Partikel auf die Materialeigenschaften von X153CrMoV12 zu erkennen und geeignete Parameterbereiche zur Oberflächenstrukturierung zu identifizieren. Hierfür wurden im Rahmen der Arbeit die Laserparameter (Pulsleistung und -dauer) in einem breiten Parameterfeld variiert und vergleichende Untersuchungen an punktuell wiederaufgeschmolzenen Zonen sowie an TiB2 implantierten Zonen durchgeführt. High-Speed-Kameraaufnahmen ermöglichten die Beschreibung der Partikeleinbringung aus Vorbeschichtungen. Des Weiteren wurden an Schliffen (Mikro-) Härtemessungen durchgeführt, um die die Materialeigenschaften zu charakterisieren und den Einfluss der eingebrachten Hartstoffpartikel feststellen zu können. Die Materialmikrostruktur wurde abschließend an lichtmikroskopischen- sowie elektronenmikroskopischen Aufnahmen erfasst. Mithilfe der energiedispersiven Röntgenspektroskopie (EDX) sowie der Röntgendiffraktometrie (XRD) wurden die implantierten Bereiche hinsichtlich gebildeter Phasen analysiert.
Die Ergebnisse zeigen, dass eine reine Umschmelzstrukturierung zu einer deutlichen Reduktion der Oberflächenhärte aufgrund hoher Restaustenitgehalte (γR) führt. Im Gegensatz dazu führt das Laserimplantieren von TiB2-Partikeln zu einer deutlichen Härtesteigerung in den kuppel- oder ringförmigen Implants. Härtewerte von bis zu 1800 HV1 resultieren aus dispergierten TiB2-Primärpartikeln sowie in-situ ausgeschiedenen Sekundärphasen, durch die der Restaustenitanteil deutlich reduziert wird.
In einer Vielzahl technischer Anwendungen spielt die Aufrechterhaltung eines definierten Reibungs- und Verschleißverhaltens zwischen bewegten Oberflächen für die Sicherheit und Funktionalität eine ent-scheidende Rolle. Die Oberflächentechnik versucht durch geeignete Verfahren die Randschichten zu ertüchtigen, um Reibung und Verschleiß zu kontrollieren. Eine Verbesserung der Materialeigenschaften kann durch flächige Beschichtungen erreicht werden. Zusätzlich ermöglichen Oberflächenstrukturierun-gen breite Möglichkeiten zur Beeinflussung des Schmierungszustandes bzw. der Kontaktbedingungen. Neben Negativstrukturen bieten ebenfalls erhabene Mikrostrukturen großes Potenzial zur Beeinflussung des tribologischen Verhaltens. Ihr Einsatz ist aber aufgrund der besonderen Verschleißproblematik er-habener Strukturen momentan limitiert, so dass in der Regel zusätzliche verschleißreduzierende Be-schichtungen notwendig werden.
In diesem Beitrag wurde das Verfahren der Laserimplantation angewandt, mit dem erhabene und sepa-rierte Oberflächenstrukturen hoher Verschleißfestigkeit in einem Fertigungsschritt erzeugbar sind. Das Verfahren basiert auf einem lokalisierten Dispergieren von Hartstoffpartikeln. Hierfür wurde erstmalig ein gepulster Faserlaser mit hoher Strahlqualität zur Erzeugung punkt- und linienförmiger Mikrostrukturen angewandt. Versuche wurden auf dem Kaltarbeitsstahl X153CrMoV12 unter Anwendung von Titandibo-rid als Hartstoff durchgeführt. Anhand von Härtemessungen konnte gezeigt werden, dass sowohl punkt- als auch linienförmige Strukturen mit Härten über 1000 HV1 und einer feinkörnigen Mikrostruktur mit feinverteilten Hartstoffpartikeln herstellbar sind. Des Weiteren war es möglich, die Implantgeometrien, welche an Querschliffen und durch Weißlichtinterferometeraufnahmen erfasst wurden, durch die Puls-leistung und Pulsdauer zu steuern.
Over the last years, the weight of modern car bodies has risen significantly due to the increasing customers’ demand for comfort and safety equipment. However, this ongoing trend leads to an increasing fuel consumption and thus to higher carbon dioxide emissions. In order to counteract these problems, hot stamping has been established in the automotive industry as a key technolo-gy for lightweight construction, regarding the manufacturing of safety-relevant car body compo-nents. Hot stamped parts are commonly made out of boron-manganese steel 22MnB5, which is initially austenized and subsequently formed and quenched in one process step. As a result, geo-metrical complex structures with an ultimate tensile strength of 1500 MPa are generated. The surfaces of the workpieces are coated with an Al-Si layer to avoid oxide scale formation and to ensure corrosion protection. However, the coating system leads to an increased adhesive wear on the tool surface due to the high thermo-mechanical tool stresses. Therefore, a time and cost con-suming rework of the hot stamping tools is required. The aim of this study is to increase the tribological performance of hot stamping tools by using a laser implantation process. This tech-nique allows the ma-nufacturing of separated, elevated and dome-shaped microstructures on the tool surface in consequence of a localized dispersing of hard ceramic particles by pulsed laser radiation. The generated surface features offer great potential for reducing the tribological load, due to their high hardness and wear resistance. For this purpose, the friction coefficient of un-modified and laser implanted tool surfaces were examined and compared by using a modified pin-on-disk test. In addition, the surfaces were analyzed by optical measurements in order to quantify the amount of wear.
Die Laserimplantation erlaubt die Herstellung verschleißbeständiger, erhabener Mikrostrukturen (Implants) auf Stahloberflächen durch ein diskontinuierliches Dispergieren von keramischen Partikeln mittels gepulster Laserstrahlung. Durch die flexible Anordnung separierter Implants zu komplexen Mustern erlaubt das Verfahren eine gezielte Oberflächenstrukturierung zur Beeinflussung des Reibungs- und Verschleißverhaltens. Insbesondere erwies sich Titandiborid (TiB2) als Implantationsmaterial für geeig-net, da eine Manipulation der Implantgeometrie in einem breiten Bereich vorgenommen werden konnte, ohne dass Materialdefekte wie Risse oder Poren auftraten.
Ziel der Untersuchungen war es, den Einfluss implantierter TiB2-Partikel auf die Materialeigenschaften von X153CrMoV12 zu ermitteln. Hierfür wurden im Rahmen der Arbeit die Laserparameter (Pulsleistung und -dauer) in einem breiten Parameterfeld variiert und vergleichende Untersuchungen an TiB2 implan-tierten Zonen sowie an punktuell umschmelzstrukturierten Zonen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass eine reine Umschmelzstrukturierung zu einer deutlichen Reduktion der Oberflächenhärte aufgrund erhöhter Restaustenitgehalte (γR) führt. Im Gegensatz dazu führt das Laserimplantieren von TiB2-Partikeln zu einer deutlichen Härtesteigerung in den kuppel- oder ringförmigen Implants. Härtewerte von bis zu 1800 HV1 resultieren aus dispergierten TiB2-Primärpartikeln sowie in-situ ausgeschiedenen Se-kundärphasen, durch die der Restaustenitanteil zudem deutlich reduziert wird.
The control of friction and wear is a major concern in many industrial applications. A promising method for a tailored surface modification is the so-called laser implantation technique. This method combines surface texturing and material optimization in one processing step by a localized dispersing of hard ceramic particles using pulsed laser radiation. Wear resistant, protruding micrometric features (implants) with defined geometry can be created in deterministic pattern where needed on highly stressed surfaces, i.e. on forming or cutting tools. However, in order to maintain the implants over the tool’s lifetime, a suitable selection of hard ceramic particles is a prerequisite. They must provide a defect-free Metal Matrix Composite with a high share of homogeneously distributed particles and especially a high implant hardness.
In this study TiN, TiC and TiB2 hard particles were compared as implant materials for the first time. By a systematic variation of the pulse power and pulse duration, their dispersing behavior and influence on the material properties of AISI D2 tool steel was investigated. Although all powder materials had grain sizes smaller than 10 µm, it was possible to disperse them by pulsed laser radiation and to obtain defect-free protruding implants. The highest share of dispersed particles (~64 %) was observed for TiB2. By scanning electron microscopy and energy dispersive X-ray spectroscopy, it was also shown that a significant share of the pre-placed particles was dissolved by the laser beam and precipitated as nanometer sized particles within the matrix during solidification. These in-situ formed particles have a decisive influence on the material properties. While the TiN and TiC implants have shown maximum hardness values of 750 HV1 and 850 HV1, the TiB2 implants have shown the highest hardness values with more than 1600 HV1. By X-ray diffraction, it was possible to ascribe the lower hardness values of TiC and TiN implants to high amounts of retained austenite in the metal matrix. By implanting TiB2, the formation of retained austenite was successfully suppressed due to the in-situ formation of TiC particles, which was proven by electron backscatter diffraction. In conclusion, all the implant materials are basically suitable for laser implantation on AISI D2 tool steel. However, TiB2 has shown the most promising results.