Oppervlaktebewerking met de laser - nil-vc.ha-media.nl · Informatie over en bestelling van...

Oppervlaktebewerking met de laserCladden, legeren en dispergeren

Toelichting:

Deze publicatie is er één uit een reeks die IOP-Metalen in samenwerking met de FME-CWM ten behoevevan industrie en onderwijs tot stand laat komen. De publicaties behandelen de onderwerpen in beknoptevorm. Zowel deze publicatie als de daarin beschreven onderzoeksresultaten zijn tot stand gekomen in hetkader van het Innovatieve Onderzoeksproject Metalen (IOP-Metalen). De projecten zijn van 1988 – 2000uitgevoerd door een aantal universiteiten en researchinstituten, in opdracht en onder supervisie van Senter(Den Haag) namens het Ministerie van Economische Zaken.Deze publicatie behandelt het lasercladden, legeren en dispergeren, technieken die het moeten opnementegen een aantal bestaande en zich bewezen hebbende processen. Aan de ene kant kan dat serie- ofmassafabricage zijn, maar door het goed kunnen richten van de intense laserbundel is het proces ook goedgeschikt voor klein-seriefabricage.De brochure geeft de resultaten weer van het onderzoek uitgevoerd door de Universiteit Twente, TNOIndustrie en de Universiteit Groningen.

Samengesteld door:

Ing. D. van der TorreIng. H. de Vries

Informatie over het onderwerp kan worden verkregen bij:

Universiteit Twente te EnschedeProf.dr.ir. J. Meijer tel. 053-4892527, fax 053-4893631, e-mail: [email protected] Industrie te EindhovenIr. G.A. Schuurman tel. 040-2650491, fax 040-2650303, e-mail: [email protected] GroningenProf.dr. J.Th.M. De Hosson tel. 050-3634897, fax: 050-3634881, e-mail: [email protected]

Informatie over en bestelling van Tech-lnfo-bladen, praktijkaanbevelingen enVM-publicaties:

Vereniging FME-CWM / Industrieel Technologie Centrum (ITC)Correspondentie adres Postbus 190, 2700 AD ZOETERMEERBezoekadres Boerhaavelaan 40, ZOETERMEERTelefoon 079-3531341/3531100Telefax 079-3531365E-mail [email protected] http://www.fme.nl

© Vereniging FME-CWM, IOP-Metalen/oktober 2000

Niets uit deze uitgave mag worden verveelvoudigd en/of openbaar gemaakt door middel van druk, fotokopie, microfilm of op welke anderwijze ook zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de uitgever.

Hoewel grote zorg is besteed aan de waarborging van een correcte en, waar nodig, volledige uiteenzetting van relevante informatie, wijzende bij de totstandkoming van de onderhavige publicatie betrokkenen alle aansprakelijkheid voor schade als gevolg van onjuistheden en/ofonvolkomenheden in deze publicatie van de hand.

Oppervlaktebewerking met de laser (cladden, legeren en dispergeren) 1

Tech-Info-blad TI.00.11IOP Metalen nr. 7.3

Inhoud

Mogelijkheden voor oppervlakte - veredelen . . . . . . . . . . . . . . . . 1Lasercladden, legeren en dispergeren . . . . . . . . . . . . . . . 1Materiaaltoevoermethoden . . . . . . 2Apparatuur . . . . . . . . . . . . . . . . 3Optische systemen . . . . . . . . . . . 4Laserpoedercladden . . . . . . . . . . 5Laserdraadcladden . . . . . . . . . . . 7Laserlegeren/-dispergeren . . . . . . 8Laserlegeren en dispergeren van Ti 9Conclusies . . . . . . . . . . . . . . . . 12Referenties . . . . . . . . . . . . . . . 12

Oppervlaktebewerking met de laserCladden, legeren en dispergeren

Voor het verbeteren (veredelen) van oppervlakken van metalen is een breedspectrum van technieken beschikbaar. Deze zijn omschreven in een voor-gaande publicatie ‘Overzicht van de ter beschikking staande technieken’(brochure IOP Metalen nr. 7.1). In die brochure is een handleiding gegevenom tot een zo goed mogelijk gefundeerde keuze te komen. hiernaast zijn deter beschikking staande technieken overzichtelijk samengevat met de voor-naamste eigenschappen en toepassingen.In de IOP-Metalenprojecten is ruim aandacht geschonken aan de mogelijkhe-den die de laser geeft, een techniek die in principe de potentie heeft om ophet gebied van het oppervlaktebehandelen toegepast te worden. Een tweedebrochure op dit gebied was ‘Lasertransformatieharden’ (nr. 7.2), de minstproblematische lasertoepassing voor het veredelen van metaaloppervlakken.In de nu voorliggende publicatie zijn drie andere technieken behandeld, hetcladden, het legeren en het dispergeren. Het is een opsomming van vijf uit-gevoerde projecten die het vakgebied een duidelijke stimulans hebben gegevenen waarvan de resultaten hun toepassing in de praktijk beginnen te vinden.

1 Mogelijkheden voor oppervlakteveredelen

Naast het vervaardigen van onderdelen uit homogenematerialen met overal dezelfde corrosie - of slijtage-bestendige eigenschappen, wordt er ook veelvuldiggebruikgemaakt van een dragermateriaal waarop een(dunne) laag met een specifieke eigenschap wordt aan-gebracht. De achtergrond van deze keuze kan zoweleconomisch als technisch zijn. Bijvoorbeeld een gepla-teerd constructiestaal in plaats van dikwandig roestvaststaal en een harde slijtbestendige laag op een taai basis-materiaal.

1.1 Methoden voor het opbrengen van lagen (zievoor nadere omschrijving van een aantal van dehieronder genoemde technieken de IOP-Metalen-brochure 7.1 ‘Oppervlaktetechnologie’)

Mechanisch opgebrachte lagen Walsen van explosief opgebrachte lagen Opgespoten lagen:

- vlamspuiten- plasmaspuiten- diffusie van opgespoten lagen (fusen)- verven

Opgesmolten lagen- dompelen (Zn, Sn, Cu, Al)- opsolderen (Sn-, Cu- legeringen)- oplassen (RVS, Cu-, Cr-, Ni-, Co-, Mo-legeringen)- emailleren (keramische deklagen)

Chemisch c.q. elektrochemisch opgebrachte lagen- anodiseren/passiveren- galvaniseren (Cr, Ni, Cu, Sn, Zn, Au)

Diffusielagen- carboneren- nitreren- nitrocarboneren- boreren- chromeren- aluminiseren

Opdampen- Chemical Vapour Deposition (CVD)- Physical Vapour Deposition (PVD)- Ionenimplantatie

De keuze van een bepaalde deklaag in combinatie meteen basismateriaal beperken direct de mogelijke werk-methoden. Elke werkmethode vereist specifieke eigen-schappen van de te gebruiken materialen. Wat voor de

ene methode gunstig is, kan voor de andere methodefunest zijn.Nieuwere toepassingen, hoewel al jaren bekend, zijn hetaanbrengen van deklagen door middel van de laser. Ditis onderwerp geweest van een aantal IOP projecten dieonder meer in deze brochure worden besproken.In het buitenland vinden op industriële schaal toepassin-gen plaats, voornamelijk in de automobiel- en vliegtuig-motorindustrie. In Nederland beginnen enkele bedrijveneen positie in te nemen bij het laseroppervlaktebehan-delen, maar daar is veel inspanning voor nodig. De lasermoet het opnemen tegen een groot aantal procédés, diein bulk (ovens, baden) worden uitgevoerd, terwijl delaser meer gericht is op behandeling per product.Het laseroppervlaktebehandelen heeft ook alle voordelendie in het algemeen aan de toepassing van lasers wordentoegeschreven: nauwkeurigheid, flexibiliteit, mogelijkheidtot automatiseren. Nadelen zijn de vrij hoge investeringenen ook de noodzakelijke gespecialiseerde kennis.

2 Lasercladden, legeren en dispergeren

2.1 Algemeen

Het gebruik van de laser maakt het mogelijk op verschil-lende manieren het oppervlak van een product te verede-len. Bij de andere meer conventionele procédés zijn demethoden meer beperkt als één techniek wordt gebruikt.Op zich worden hiervoor wel verschillende strategieëngebruikt. Het gaat namelijk om een juiste, nauw luiste-rende, afstemming van de verschillende parameters opelkaar. In vele gevallen kan dit alleen als er detectie- enregelsystemen worden toegepast. Het laserharden isbeschreven in brochure 7.2 ‘Lasertransformatieharden’.In de volgende paragrafen zullen het lasercladden, lege-ren en dispergeren worden behandeld.

2.2 Lasercladden

Bij het lasercladden wordt de laser als een warmtebrongebruikt en wordt het cladmateriaal apart toegevoerd,hetzij in poeder of in draadvorm. Er moet sprake zijn vaneen gecontroleerde, minimale opmenging met het basis-materiaal, zoals in figuur 1 aangegeven.Het is mogelijk poeder vooraf aan te brengen, meestal inde vorm van een slurrie. Deze methode heeft een aantalnadelen, die in de tekst zullen worden behandeld.

2 Oppervlaktebewerking met de laser (cladden, legeren en dispergeren)

figuur 1 Het laserlegeren, dispergeren en cladden, aandeelvan de opmenging

Het doel van het lasercladden is het verkrijgen van eenhoogwaardige oppervlaktelaag die een goede slijtvast-heid, corrosievastheid en/of vermoeiingssterkte heeft.Het oorspronkelijke basismateriaal mag van minderekwaliteit zijn.Bij het lasercladden heeft men graag een zo gelijkmatigmogelijke insmelting over de breedte van de lasrups. Metstandaardoptieken die de laserbundel slechts van grootteen niet van vorm veranderen, ontstaat in het midden eendiepere insmelting dan aan de rand, omdat de vermo-gensdichtheid in het midden het hoogst is. Men behelptzich dan door uit-focus te werken. Beter is het om doormiddel van een aangepaste optiek de energie zo goedmogelijk egaal te verdelen, zoals dat in het IOP-Metalen-onderzoek is uitgevoerd.Bij het lasercladden wordt een zo gering mogelijke op-menging met het substraat nagestreefd. Varianten vanhet lasercladden, met bewust grote opmenging, zijnlaserlegeren en laserdispergeren.

2.3 Laserlegeren

Bij het laserlegeren wordt materiaal in een met de laser-bundel gevormd smeltbad gevoerd en tot smelten ge-bracht. Het toevoegmateriaal mengt volledig met het ge-smolten basismateriaal (zie figuur 1) ten gevolge van dein het smeltbad aanwezige convectiestromingen. Dezeontstaan door de grote temperatuurverschillen aan hetoppervlak.

Door een geschikte keuze van toevoegmateriaal kan be-halve een vermenging ook een reactie tussen toevoeg-en basismateriaal ontstaan. Door de zeer grote afkoel-snelheid, waarmee stolling na het passeren van de laser-bundel plaatsvindt, kunnen bovendien metastabiele fa-sen worden gevormd, of kan de vaste oplosbaarheid vanelementen in het basismateriaal worden vergroot.Daardoor kan een oppervlaktelaag worden verkregenmet een chemische samenstelling die erg lijkt op die vanhet basismateriaal, maar die toch totaal verschillendeeigenschappen heeft.

Geschikte toevoegmaterialen voor het laserlegeren vanstaal zijn pure elementen zoals nikkel, kobalt, chroom,koolstof, wolfram, vanadium, molybdeen en niobium.Veel van deze elementen vormen verbindingen met de inhet staal aanwezige en toegevoerde koolstof. De ge-vormde carbiden zorgen voor een grote hardheid en eenverbetering van de slijtagebestendigheid. Andere elemen-ten worden toegevoegd voor het verbeteren van de cor-rosieweerstand of voor het garanderen van een goedeslijtvastheid bij hogere temperaturen. De corrosiebesten-digheid van staal kan worden verbeterd door te legerenmet chroomboride.Aluminium en titaan worden gelegeerd door blootstellingvan het smeltbad aan respectievelijk zuurstof en stik-stof. De gevormde reactieproducten (Al2O3 en TiN) zijnzeer hard. Titaan kan evenals silicium goed wordengelegeerd met koolstof voor het verkrijgen van hardeoppervlaktelagen.

2.4 Laserdispergeren

Men spreekt van laserdispergeren wanneer alleen poe-derdeeltjes met een hoog smeltpunt (>3000°C) in hetsmeltbad worden gebracht. Deze deeltjes komen niet totsmelten, maar worden door de sterke stroming wel ge-lijkmatig over het smeltbad verdeeld (figuur 1).Een zeer snelle stolling van het smeltbad is vereist om tevoorkomen dat deeltjes oplossen en dat in de oppervlak-telaag verschillende laagjes gaan ontstaan ten gevolgevan het verschil in dichtheid. Anderzijds mag de afkoel-snelheid weer niet te hoog zijn, omdat dat spannings-concentraties rond de veelal grillig gevormde poeder-deeltjes kan veroorzaken en daardoor de aanleiding kanzijn tot scheurvorming.Het proces wordt toegepast voor het verkrijgen vanoppervlaktelagen met een zeer grote hardheid. De hard-heid van de gebruikte poederdeeltjes ligt tussen de 1000en 3000 Hv. Om te voorkomen dat bij slijtage brokjes uitde oppervlaktelaag losbreken, worden de deeltjes somsingebed in een relatief zachte matrix, die zorgt voor denodige taaiheid.

Het laserdispergeren wordt voornamelijk toegepast opstaal. Veel gebruikte materialen zijn wolframcarbide,titaancarbide en chroomcarbide. Titaan en silicium kun-nen worden gedispergeerd met hun respectievelijke car-biden, hoewel legeren, door het simpelweg toevoegenvan koolstof voor de vorming van carbiden, dan eenvou-diger is.Oppervlaktelagen van aluminiumlegeringen kunnen wor-den verbeterd door ze te dispergeren met siliciumcarbi-de. Als reactieproducten ontstaan dan behalve de alumi-niumlegering en siliciumcarbide ook aluminiumcarbide enaluminiumoxide. Hier is dus sprake van een mengvormtussen dispergeren en legeren. Een ander voorbeeld vaneen dergelijke mengvorm is het legeren van titaanlege-ringen met boriumnitride. In de resulterende structuurkunnen behalve de oorspronkelijke samenstellingen ooknog titaannitriden en titaanboroniden worden gevonden,waardoor de slijtagebestendigheid aanzienlijk kan wor-den verhoogd en de hardheid toeneemt tot maximaal1600 Hv.

3 Materiaaltoevoermethoden

Voor het opbrengen van het toevoegmateriaal in poeder-vorm zijn er in principe twee mogelijkheden, namelijk detweestaps- en de eenstapsmethode. Hierbij wordt hetpoeder respectievelijk vooraf of anders tijdens de laser-bewerking aangebracht.


figuur 3 De eenstapsmethode

figuur 2 De tweestapsmethode

3.1 De tweestapsmethode

Deze, meest toegepaste, methode bestaat uit het voorafaanbrengen van het om te smelten materiaal. Dit kan inde vorm van een uit poeder en bindmiddel bestaandepasta, plaat, folie of een vlam- of plasmagespoten laag.Deze lagen worden vervolgens op- of ingesmolten doorde bewegende laserbundel (figuur 2).

Deze tweestapsmethode is relatief goedkoop. Het heeftvoor toepassing bij lasercladden echter een aantal nade-len. Ten eerste vloeit het voorgeplaatste materiaal bij hetsmelten uit over het basismateriaal. Wanneer het ge-vormde spoor weer stolt, trekt de laag gedeeltelijk sa-men, zodat een gedeelte van het substraat bloot komt teliggen. Bij het aanbrengen van een volgend spoor wordtook dit blootliggende substraat door laserstraling be-schenen. De vermenging wordt daardoor relatief groot.Ten tweede vormt het smeltbad zich het eerst aan debovenzijde van de vooraf aangebrachte deklaag. Hetsmeltfront verplaatst zich vervolgens door deze deklaagen bereikt uiteindelijk het nog niet opgewarmde basis-materiaal. Daardoor stolt het smeltbad weer gedeeltelijk,om daarna weer verder te smelten. Pas dan kan ook hetbasismateriaal smelten en komt een goede smelthechtingtot stand. Op dat moment moet het proces direct stop-pen, omdat anders een te diepe insmelting in het sub-straat ontstaat. Pas bij het ontstaan van de smelthech-ting kan de warmte uit de cladlaag naar het basismate-riaal worden afgevoerd. Door de grote snelheid waarmeedit warmtetransport plaatsvindt, is voorwarmen bijnaaltijd nodig om scheuren te voorkomen. Eveneens kunnendoor de snelle afkoeling tussen basismateriaal en dek-laag microholten ontstaan. Deze bezwaren tellen mindervoor laserlegeren en laserdispergeren, omdat deze pro-cessen juist gebaat zijn bij een goede vermenging vanhet substraat en de toegevoerde elementen.

3.2 De eenstapsmethode

De eenvoudigste eenstapsmethode is die waarbij hetmateriaal in gasvorm wordt toegevoerd. Als gas als toe-voegmateriaal wordt toegepast, is het vaak al voldoendeom het smeltbad eenvoudigweg bloot te stellen aan degasstroom. Speciale apparatuur is wel nodig als hetmateriaal in poedervorm wordt toegevoerd. Het poederwordt vanuit een poederdoseerapparaat, zoals dat ookbekend is van het plasmaspuiten, in het smeltbadgeblazen. Hierdoor kunnen samenstelling en laagdikteworden gevarieerd (figuur 3).

Poederdoseerapparatuur voor bijvoorbeeld het plasma-opspuiten, kan voor het lasercladden goed geschikt zijn,mede door de mogelijkheid van automatische aansturing.

Met poederinjectiecladden kunnen, in tegenstelling totbij cladden, met een vooraf geplaatste coating meer spo-ren naast elkaar worden aangebracht, omdat het procesanders verloopt. Als eerste wordt nu een dun laagje vanhet substraat omgesmolten. Het poeder wordt in ditsmeltbad ingevangen en mengt met het basismateriaal.Het laservermogen moet zodanig worden gekozen, dathet smeltbad aanwezig blijft, maar dat het basismate-riaal dan al weer begint te stollen. De deklaag groeit danals het ware van onder naar boven, waardoor de matevan insmelting veel beter controleerbaar is dan bij clad-den met een vooraf geplaatste coating. In § 4.2 wordtnader ingegaan op het gebruik van poederdoseerappa-ratuur.De laatste, alleen bij lasercladden toegepaste toevoer-methode, is de draadtoevoer. Een lasdraadtoevoerappa-raat is daarvoor zeer geschikt. Meestal wordt de draadvoorgewarmd om het uitvloeien op het substraat teverbeteren, zodat een laag met een betere hechting enzonder porositeit kan worden verkregen. De methodeheeft echter als nadeel dat de draad het basismateriaalafschermt van de laserbundel, waardoor de draad moei-lijk uitvloeit en het aanbrengen van meer sporen naastelkaar moeilijk is.

4 Apparatuur voor het oppervlakteveredelen

4.1 De laser

Voor laseroppervlaktebehandelingen kunnen zowel CO2-als Nd:YAG-lasers worden toegepast. De CO2-laser ishet meest wijdverbreid. De voor het lasercladden meestgebruikte vermogensklasse is 5 kW. Op dit moment zijnook CO2-lasers met vermogens tot 40 kW industrieelbeschikbaar gekomen. Met een CO2-laser van 20 kW ishet mogelijk om in één keer een lasrups met een breedtevan 20 mm en een dikte van 7 mm aan te brengen.Meestal beperkt men zich tot lasrupsen van 3 mm breeden 1 mm dik, waarvoor een vermogen van ongeveer2 kW benodigd is.De Nd:YAG-laser is om een aantal redenen sterk in op-komst bij oppervlaktebehandelingen. De laserenergiewordt in een metaaloppervlak beter geabsorbeerd dan destraling van een CO2-laser. Verder kan de bundel van eenNd:YAG-laser door glasvezels worden getransporteerd,zodat de apparatuur veel eenvoudiger van opzet wordt.Een aantal jaren geleden was het vermogen van deNd:YAG-laser beperkt tot enkele honderden Watts. Nugaan de ontwikkelingen naar hogere vermogens bijzon-der snel. Vermogens van 3 tot 4 kW zijn nu beschikbaar.Ontwikkelingen voor een vermogen van een 10 kWNd:YAG-laser worden over een periode van ca. 3 jaarverwacht. Nd:YAG-lasers vanaf 1 kW zijn goed toepas-baar voor oppervlaktebehandelingen.


4.2 Poedertoevoerapparatuur

De problemen en beperkingen die kunnen optreden bijlasercladden met voorgeplaatst poeder zijn bij het onder-zoek aanleiding geweest tot de toepassing van poeder-doseerapparatuur waarmee cladden met poederinjectiemogelijk is. Het aangeschafte apparaat is oorspronkelijkontworpen voor het plasmaspuiten en door enkele aan-passingen geschikt gemaakt voor het lasercladden.Het poederdebiet kan door het aanbrengen van verschil-lende doseerschijven worden gevarieerd of worden aan-gepast aan de verschillende poedersoorten. Het debietligt tussen 0,2 en 20 g/min en voldoet daarmee ruim-schoots aan het vereiste instelgebied. Bovendien is hetmogelijk de apparatuur aan te sturen vanuit de laserbe-werkingscel, wat automatisering van het proces mogelijkmaakt. De apparatuur bestaat in hoofdzaak uit een poe-derhouder en een doseerschijf.De poederdoseerapparatuur heeft een capaciteit van 1,5Iiter en bestaat o.a. uit een poederhouder. In de houderbevindt zich een rotor die er voor zorgt dat het poedergelijkmatig op een rotatieschijf valt. Door een klein gatvalt het poeder onder invloed van de zwaartekracht opdeze langzaam ronddraaiende schijf. Deze doseerschijf iseen vlakke ronde plaat waarin een sleuf is uitgefreesd.Door deze sleuf kan slechts een bepaalde hoeveelheidpoeder worden opgenomen. Deze kan worden gevarieerddoor de rotatiesnelheid van de schijf te variëren. Hetschema van de apparatuur is in figuur 4 weergegeven.

figuur 4 Schema van de toegepaste poederdoseerappa-ratuur

4.3 Draadtoevoer

Voor laserdraadcladden is geen specifieke apparatuur be-kend. Veelal wordt gebruikgemaakt van draadaanvoer-systemen voor MIG- en TIG-lasapparatuur, die ook ge-schikt is voor gebruik in het lage snelheidsgebied van2,5 tot 60 mm/s, dat nodig is voor laserdraadcladden.Het gekozen apparaat kan al dan niet gevulde dradenmet een diameter tussen 0,6 en 2,4 mm verwerken.Het apparaat is in standaarduitvoering niet geschikt vooraansturing op afstand. Daarvoor zijn diverse modificatiesuitgevoerd. Door deze wijzigingen is het mogelijk dedraadtoevoer op afstand een bepaalde draadtoevoersnel-heid mee te geven, een start- of stopsignaal te geven, ofde draad een stukje terug te trekken.

5 Optische systemen bij het lasercladden(Universiteit Twente)

5.1 Ontwikkeling van bundelsystemen

In het kader van het IOP-programma ‘Lasertransformatie-harden’ (brochure 7.2 met de gelijknamige titel) werd eenmethode en inrichting bedacht voor het transformerenvan de stralenbundel uit een laser. Doel hiervan was eenhomogene stralingsverdeling in een rechthoekige bundel-doorsnede te verkrijgen. Een dergelijke stralenbundel ismet name geschikt voor het gebruik van de laser vooroppervlaktebewerkingen, zoals het harden van opper-vlakken en het opsmelten van (hoogwaardige) materialenop een (goedkoop) basismateriaal.Ook bij het lasercladden speelt de vorm van en de ener-gieverdeling binnen de laserbundel een belangrijke rol.Een duidelijk hogere vermogensdichtheid dan voor hettransformatieharden is nodig. De huidige bundelintegra-tor (zie brochure 7.2) zit op dit punt echter reeds dichtaan de grens van het toepassingsgebied en is alleenbruikbaar voor laservermogens tot ongeveer 3 kW. Bijgrotere vermogens kan het in de lenzen geabsorbeerdevermogen leiden tot oververhitting en beschadiging.

De bovengenoemde factoren maken het wenselijk eenintegrator te hebben die in alle optische functies uitslui-tend gebruikmaakt van spiegels in plaats van lenzen, endaardoor ook voor grotere stralingsvermogens geschiktis. Spiegels kunnen immers uit goed warmtegeleidendmateriaal worden vervaardigd (bijv. uit koper) en overhet gehele oppervlak worden gekoeld, waardoor er geenbeperkingen van het stralingsvermogen zijn.

Op grond van bovenstaande is een nieuwe bundelinte-grator ontworpen, die:a. uitsluitend gebruik maakt van spiegels enb. slechts in één richting integrerend werkt, terwijl in de

tweede richting een focussering (door optischeafbeelding) plaatsvindt.

Aan de hand van bovenstaande eisen is een nieuw sys-teem ontworpen. In het vervolg zal dit ontwerp wordenaangeduid als ‘lijnintegrator’. Deze heeft een aantal ont-wikkelingen doorgemaakt die uiteindelijk hebben gere-sulteerd in het ontwerp zoals dat schematisch is afge-beeld in figuur 5.

figuur 5 Definitief ontwerp van de lijnintegrator


Bovendien is een pyrometer geïntegreerd om het proceste kunnen regelen. De herziene configuratie is ontwikkeldmet behulp van een computerprogramma voor optischemodellering (OPDESIGN) en blijkt de gewenste lijnfocusop te leveren, met tegelijkertijd de gewenste energiever-deling. De verkregen verdeling van de energie is afge-beeld in figuur 6.

figuur 6 Energieverdeling van de bundel verkregen met delijnintegrator

5.1 De bolintegrator

Voor het voorwarmen van het werkstuk is een specialebolintegrator ontwikkeld (figuur 7). Dit is een koepelvor-mige spiegel die aan het werkstukoppervlak gereflec-teerde straling opnieuw op het werkstuk afbeeldt. Er zijntwee belangrijke redenen voor het gebruik van een der-gelijk apparaat.

figuur 7 Samenstellingstekening van de bolintegrator

Ten eerste wordt bij lasercladden (zowel met voorge-plaatst poeder als met ingeblazen poeder) gemiddeldslechts 30% van het ingestraalde vermogen geabsor-beerd. De efficiency van het proces wordt verhoogd alsde gereflecteerde straling naar het werkstukoppervlakwordt teruggevoerd. De tweede reden is dat door hetgebruik van een instelbare spiegel het werkstuk lokaaltijdens het bewerkingsproces kan worden voorgewarmd.Dat is belangrijk, omdat met voorwarming scheurvor-ming kan worden voorkomen.

6 Laserpoedercladden

6.1 Algemeen

Poeders voor het opbrengen van een cladlaag wordensinds jaar en dag gebruikt bij het thermisch spuiten (zieook de FME-voorlichtingspublicatie VM 95, ‘Thermischspuiten’). Het ligt dus voor de hand bij het lasercladdeneen keuze te maken uit die poedertypen. De vraag diezich voordoet is welke poedertypen het meest geschiktzijn voor het lasercladden of zelfs òf ze wel geschikt zijnen het daarbij behorende gebruiksdoel zoals slijtage ofcorrosie.

Voor het thermisch spuiten zijn poeders toepasbaar dieook een hoge temperatuurbelasting kunnen weerstaan.Dat zijn poeders die worden gebruikt bij het plasma- enhet HVOF-spuiten. In de uitgevoerde projecten is eenaantal poeders gebruikt die dan wel specifiek gericht wa-ren op een applicatie en/of waarvan meer fundamenteleaspecten zijn onderzocht. Bedoeld wordt hierbij de inter-actie tussen het poeder en het substraat, waarbij ver-schijnselen als hechting en scheurvorming zijn onder-zocht.

Welke poeders voor welk doel kunnen worden gebruikt,zal in deze brochure niet worden behandeld. Daarvoorwordt verwezen naar bovengenoemde voorlichtings-publicatie.

6.2 Het cladden op staal met poeder

Conventionele cladprocessen zijn veelal gericht op hetaanbrengen van slijt- en erosievaste lagen op staalpro-ducten die bij hogere omgevingstemperaturen (>200°C)worden toegepast. Dit zijn bijvoorbeeld turbinebladenvoor vliegtuigstraalmotoren of klepzittingen van auto-motoren. Ook het lasercladden richt zich op dit soorttoepassingen. Bekende materiaalcombinaties daarbij zijndeklagen op basis van kobalt, chroom en nikkel, destelliet-typen.Voor het onderzoek is gekozen voor het gereedschaps-staal X32CrMoV33 (W.-Nr. 1.2365) dat goed bestand istegen temperatuurwisselingen en een hoge warmvast-heid en taaiheid heeft. Toepassingen liggen op het ge-bied van zwaar belaste warmwerkgereedschappen zoalspersmatrijzen, matrijsinzetstukken en gereedschap voorspuitgieten. Voor de samenstelling van het basis- en hetcladmateriaal zie tabel 1.

Voor de deklaag is uitgegaan van een poedersoort vanhet stelliet-type dat bij hogere temperaturen, een goedehardheid en een verhoogde weerstand tegen oxidatie encorrosie heeft. Als toepassingen worden genoemd:uitlaatkleppen van motoren, klepzittingen, turbinebladen,smeedmatrijzen en trekdoorns. Deze toepassingen sluitengoed aan bij die van het basismateriaal. De maximalebedrijfstemperatuur ligt hoog: ca. 840°C. De hardheid isniet extreem hoog: ca. 520 Hv.


tabel 1 Samenstelling basismateriaal en deklaag

Basismateriaal: X32CrMoV3 3

CCrMoVSiFe

0,3%3,0%2,8%0,5%0,3%rest

smelttemperatuurhardheid basismateriaalmaximale hardheid

1450°C240 Hv620 Hv

Coatingmateriaal: Metco 18C

CoNiCrMoFeBSiC

40,8%27,0%18%6%2,5%2,0%3,5%0,2%

hardheid (20°C)smelttemperatuurmax. bedrijfstemperatuursoortelijke dichtheidkorrelgrootte

520 Hv1120°C840°C6640 kg/m3

!120 +270

6.3 Invloed op de kwaliteit bij het lasercladden

Binnen het vastgestelde parametergebied is uitvoerigonderzoek gedaan naar de invloed van laservermogen,interactietijd, voorwarming, gasdruk en bindmiddel opeen enkele cladlaag. Met name de temperatuur van hetsubstraat tijdens en voor het proces blijkt bepalend voorhet resultaat. Alleen bij voorwarming (>100°C) kunnenscheurvrije cladlagen worden gerealiseerd. Verder wordthet resultaat vooral bepaald door de temperatuur van degrenslaag tussen basismateriaal en cladlaag (interface-temperatuur) in combinatie met de snelheid waarmee delaserbundel over het oppervlak wordt bewogen. Een vol-doende oppervlaktekwaliteit gaat altijd gepaard met enigeinsmelting.

Effect van de interface-temperatuurGezien het snelle verloop van een lasercladproces en devele parameters, is het van belang een zo gunstig moge-lijk werkgebied vast te stellen. Aangezien de tempera-tuur kan worden gemeten, is eerst vastgesteld wanneersprake is van een goede insmelting. In tabel 2 is bijenkele temperaturen aangegeven in welke toestand decladlaag zich bevindt.

tabel 2 Effect van interface-temperatuur op insmeltingen uitvloeien cladlaag

resultaat van het insmelten interface-temperatuur (°C)

korrelvorming < 1137

begin van vorming cladlaag < 1310

goed uitgevloeide cladlaagzonder insmelting

1480

goed uitgevloeide cladlaagmet matige insmelting

1600

goed uitgevloeide cladlaagmet overmatige insmelting

1720

Optimale instelling parametersBij het onderzoek zijn o.a. de twee eerder beschreven1-staps- en 2-stapsmethoden gebruikt, d.w.z. het meteen gasstroom inbrengen van poeder en het vooraf op-brengen hiervan. Het blijkt dat er voor beide methodenvan elkaar verschillende parameters nodig zijn.De ‘optimale’ instelling voor het maken van enkele spo-ren, d.w.z. de instelling waarbij een goed uitgevloeidecladlaag met een minimale vermenging met het basis-

materiaal en een minimale scheurvorming in combinatiemet een goede hardheid wordt verkregen, zijn samenge-vat in tabel 3.

tabel 3 Optimale instellingen

metpoederinjectie

met voorafopgebrachte laag

laservermogen 1.000 W 1.200-1.300 W

bundeldiameter 3,0 mm 3,0 mm

werkstuksnelheid 5 mm/s 6-8 mm/s

poederstroom 0,15 g/s

laagdikte voor proces 0,4 mm

voorwarmtemperatuur 100-200°C

Procesinvloeden op de onderzoeksresultatenDe beste resultaten worden verkregen door een mean-dervormig overlappingspatroon uit te voeren met eenoverlap van meer dan 70 procent van de bundeldiameteren een baanlengte van 15 mm. Hierbij is enige vermen-ging van basismateriaal en opgebracht poeder niet tevoorkomen. Praktische waarden voor de insmeltdiepteliggen tussen 0,03 en 0,08 mm. Deze mate van vermen-ging is bij deze specifieke materiaalcombinatie gunstigvoor de gerealiseerde hardheid in de cladlaag. Zondervermenging is de hardheid in de deklaag ca. 500 Hv,terwijl enige insmelting deze doet toenemen tot meerdan 800 Hv. Insmelting gaat samen met een goedeoppervlaktekwaliteit, doordat de lagen goed uitvloeien.

HardheidHet opbrengen van slijtvaste lagen is naast het betercorrosiewerend maken van het basismateriaal een be-langrijke toepassing. In het onderzoek is daar dan ookruime aandacht aan gegeven. Eén van de belangrijksteinvloeden blijkt de opmenging van het poeder en hetbasismetaal te zijn. In figuur 8 is voor verschillendeopmengpercentages die invloed weergegeven.

figuur 8 Invloed van opmenging op de hardheid


Tot dusver is de invloed van het op te brengen materiaal incombinatie met het basismetaal niet aan de orde geweesten toch moet hier rekening mee worden gehouden. Voorhet oplassen van metallische deklagen kunnen opspuitma-terialen als toevoegmateriaal wel eens minder goed ge-schikt zijn. De daar, in sommige typen, aanwezige smelt-puntsverlagende bestanddelen, zoals silicium in slijtvastekobalt-chroom-wolfram legeringen, kunnen warmscheurengaan vertonen.

Het blijkt dat uit het oogpunt van een te bereiken maxi-male hardheid een geringe opmenging gewenst is. Deverklaring is dat er in de cladlaag, door de aanwezigheidvan het koolstof in het basismetaal, dan metaalcarbidenkunnen ontstaan.

ScheurvormingScheurvorming in thermisch opgebrachte cladlagen isgeen ongewoon fenomeen. Het kan zich o.a. voordoenbij het conventioneel oplassen. Het toelaatbaar zijn vanscheurvorming is in hoge mate afhankelijk van de toe-passing. De laag mag in ieder geval niet vroegtijdig terziele gaan door bijvoorbeeld uitbrokkelen, en scheurtjeszijn niet toelaatbaar in een corrosieve omgeving.De keuze van de combinatie basis- en cladmateriaal isdaarom van belang. Oplasmaterialen worden door defabrikant in relatie tot het opbrengprocédé op het zoveelmogelijk scheurvrij zijn van de laag ontwikkeld. Die ken-nis ontbreekt nagenoeg bij de fabrikant voor het laser-cladden; een procédé dat een geheel ander warmte-regiem heeft.

Ook de onderzochte materiaalcombinaties geven somseen aanzienlijke scheurvorming te zien. Daarom is veelaandacht aan het fenomeen gegeven door het uitvoerenvan spanningsmetingen aan de proefstukken. Er is eendirecte relatie tussen de hoogte van de spanningen enhet ontstaan van scheurvorming geconstateerd. De ver-klaring is, dat er aanvankelijk bij het proces een te grootverschil in temperatuur is tussen het substraat en hetgesmolten cladmateriaal. De verschillen in uitzettings-coëfficiënt spelen daarbij een niet zo’n belangrijke rol.Het is meer een verschijnsel van versnelde hoogtempe-ratuurkruip.Scheurvorming is significant geringer als de 1-staps-methode wordt toegepast. Het poeder wordt gedurendehet procédé opgebracht en daardoor ontstaat er nietzo’n grote temperatuurgradiënt als bij het insmelten vaneen vooraf opgebrachte laag.

7 Laserdraadcladden

Eén van de voordelen van draadcladden boven laserclad-den met poeders is, dat het toegevoerde materiaal volle-dig kan worden benut voor het proces, waardoor op devaak hoge materiaalkosten kan worden bespaard.Laserdraadcladden is lang niet altijd mogelijk, omdat nietalle legeringen in draadvorm verkrijgbaar zijn. Een andernadeel van draadtoevoer is, dat het proces een nauw-keurige besturing en positionering vereist.De experimenten voor laserdraadcladden zijn verricht opstukken gasbuis. De pijp waarop geclad wordt, is hori-zontaal ingespannen in een draaibank, welke onder delaserkop is geplaatst. Aan de laserkop is het draadtoe-voerapparaat bevestigd, dat de draad onder een hoekvan 15° ten opzichte van het horizontale vlak tangen-tiaal in het smeltbad van de draaiende pijp laat inkomen.In dit punt, het inkompunt, is de laserbundel gefocus-seerd.

Om een corrosievaste en slijtvaste laag te cladden op eenongelegeerde staalsoort, zijn twee verschillende dradengekozen, te weten een roestvast staal type AISI 304 eneen 14% Cr-staal.Focusafstand: 125 mm.Gas: Ar: 10 l/min, He: 22 l/min, N2: 10 l/min.Laservermogen: 1100 W.

In figuur 9 is een experimentele opstelling weergegevenvoor het cladden van een inlaatklep.

figuur 9 Experimentele opstelling voor het lasercladden

In figuur 10 is het verloop van de hardheid over decladlaag aangegeven.

figuur 10 Hardheidsmetingen over de cladlaag

Resultaten

Draadsnelheid en voortloopsnelheidVoor het laserdraadcladden is het noodzakelijk dat dedraad zo wordt toegevoerd, dat deze onder de laser-bundel zo snel afsmelt dat er nog net voldoende laser-energie overblijft om op het substraatmateriaal een ge-ring smeltbad te vormen. Dit smeltbad moet net vol-doende zijn om samen te vloeien met de afgesmoltendraad, en moet zo kort mogelijk vloeibaar blijven om teveel opmenging te voorkomen. De voortloopsnelheid vande laserbundel over het substraat moet liggen tussen de0,77 - 1,18× de draadtoevoersnelheid (voor draden metdiameters van 1,0 en 0,8 mm).


Indien de draadsnelheid te laag ligt ten opzichte van devoortloopsnelheid over het substraat, geeft dit kans opdruppelvorming tijdens het afsmelten van de draad. Bijde volgende baan kan de gestolde druppel de toevoer-draad even uit de focus drukken, waardoor het proceswordt verstoord. Bij een te hoge draadtoevoersnelheidten opzichte van de voortloopsnelheid, bestaat de kansvan opstuiken van de draad in het smeltbad. Ook dezeopdrukking kan aanleiding geven tot het uit de focusdrukken van de draad bij de volgende baan en zo hetproces verstoren.

Onderlinge baanafstandIedere volgende baan moet ca. 87 % van de draaddia-meter opschuiven om een voldoende overlapping teverkrijgen. Bij een te geringe afstand tussen de banen,kan de toevoerdraad door de voorgaande baan uit defocus worden gedrukt en vergroot de kans op gasinsluit-sels. Een te grote afstand geeft een ruwe of niet aan-eengesloten cladlaag.

Ligging focuspuntHet beste resultaat wordt verkregen indien de focus inhet midden van de toevoerdraad ligt. Indien de focus1 mm voor het midden van de pijp ligt, is de kans hetgeringst dat de draad uit de focus loopt.

DraadopdrukkingDe draad van 1,0 mm moet minder dan 0,2 mm doorhet substraatmateriaal worden opgedrukt om zijdelingsuit de focus lopen van de draad te voorkomen. Bij de0,8 mm draad is dit minder kritisch.

Invloed schutgasArgon als schutgas geeft de beste resultaten. Stikstofbevordert gasinsluitsels. Bij hogere laservermogens zal,om plasmavorming te voorkomen, helium als schutgasmoeten worden gebruikt.

Starten van het cladprocesBij het inkomen van de draad vormt zich soms een drup-pel. Hierdoor wordt de draad bij de volgende omwente-ling uit focus gedrukt. Een verklaring voor deze druppel-vorming kan zijn dat de draad bij intrede in het smeltbadop het substraat een relatief lage temperatuur heeft ende draad hierdoor niet snel genoeg afsmelt. Dit kan wor-den voorkomen door de eerste paar omwentelingen geendraad toe te voegen, waardoor de pijptemperatuur plaat-selijk toeneemt en het smeltbad groter wordt. Tevensverdient het aanbeveling om de verhouding draadsnel-heid/voortloopsnelheid de eerste paar omwentelingen1:1 te kiezen.

8 Laserlegeren/-dispergeren (Rijks UniversiteitGroningen)

8.1 Inleiding

In de paragrafen 2.3 en 2.4 zijn het laserlegeren en hetdispergeren omschreven. Daarbij is aangegeven dat ermengvormen van beide mechanismen zijn. Dat zal in velesituaties wel het geval zijn. Zuiver dispergeren betekentdat de in te brengen elementen geen verbinding aan kun-nen gaan met het basismateriaal. Dat is in het algemeenwel gewenst, omdat dat o.a. de hechting bevordert. Inhet onderzoek van de RUG zijn experimenten uitgevoerdom te toetsen of enkele nieuwe ideeën werkbaar zijn.

8.2 Keramisch materialen op aluminium enaluminiumlegeringen

Het werk heeft zich geconcentreerd op de vraag op wel-ke wijze een basismateriaal, zoals aluminium, kan wor-den beschermd tegen slijtage en corrosie, door bijvoor-beeld een keramische deklaag. De argumentatie is daarbijdat keramiek uitstekend bestand is tegen abrasieve slij-tage en tegelijkertijd chemisch bestendig. Dit in tegen-stelling tot metalen als aluminium en normaal staal.Een andere eigenschap van technisch keramiek is eenhoge hardheid, tevens gepaard gaande met voldoendegrote sterkte bij hoge temperaturen. Een nadeel vankeramiek is evenwel de brosheid.Voor het aanbrengen van een ca. 0,1 mm dikke kera-mische deklaag op metalen bestaan verschillende tech-nieken, waarvan het plasmaspuiten in de praktijk hetmeest wordt toegepast. Het aanbrengen van keramischedeklagen met behulp van een CO2-laser (>1 kW) heeftals voordeel dat keramische deklagen, ondanks het ver-schil in smeltpunt tussen keramiek en aluminium, volle-dig gesmolten kunnen worden door de zeer hoge vermo-gensdichtheid van de laserbundel. Bovendien wordt opdeze manier een volledig porievrije deklaag mogelijk.Er wordt gebruikgemaakt van een chemische reactie aanhet grensvlak tussen een metaal en een keramisch mate-riaal. De exotherme warmte-ontwikkeling die daarbij op-treedt, blijkt een cruciale rol te spelen om een homogeneen tamelijk dikke laag (100 µm) op een aluminium onder-grond te kunnen produceren.

Materialen en eigenschappenVoor de experimenten zijn 3 aluminiumtypen gebruikt,namelijk Al 99,5, Al 6061 en Al 2024. Als op te bren-gen materiaal zijn dat SiO2 en Cr2O3. Voor SiO2 geldt dereactie: 2Al+3/2 SiO2 6 Al2O3+3/2 Si, hierbij komt o.a.300 kJ/g.mol bij 900°C aan warmte vrij, waardoor eenbesparing van 75% laserenergie het resultaat is. Voorhet gebruik van Cr2O3 geldt Cr2O3+2Al 6 Al2O3+2Cr.De hierbij vrijkomende warmte bedraagt (berekend)538 kJ/g.mol. Cr2O3 en Al2O3 zijn volledig in elkaar op-losbaar, waardoor de eigenschappen veel op elkaar lij-ken. Een klein aandeel van Cr2O3 in Al2O3 verhoogt dehardheid en specifiek de ductiliteit.Het blijkt dat het type aluminium geen invloed heeft opde eigenschappen van de deklaag. Er worden wel ele-menten vanuit het basismetaal opgenomen, maar dathad geen invloed op o.a. het hechtingsmechanisme.De hardheid van de laag bij gebruik van SiO2 bedraagtHv0,2 2100-2720. Bij het uitvoeren van slijtageproevenwas na 20 uur beproeving geen slijtage waarneembaar.Voor het gebruik van Cr2O3 geldt een gemeten hardheidvan Hv0,2 2570. Bij het uitvoeren van de hardheidsme-tingen kon geen scheurvorming worden geconstateerd.

8.3 Cr2O3 op roestvast staal

Het is met de ontwikkelde lasertechnologie ook mogelijkgebleken Cr2O3-poeder om te smelten en zodanig op hetroestvast staal te deponeren, dat een betrekkelijk dikke(± 0,1 mm) laag wordt verkregen, die volledig porievrijis. De thermische belasting van het substraat kan hierbijzeer beperkt worden gehouden. Aangezien de deklaagzeer bros is, bestaat het gevaar dat deze na afkoelen alsgevolg van de kringspanningen van het oppervlakafbladdert (delaminatie).Om het mechanisme hiervan te begrijpen, is een funda-mentele analyse van de structuur van de lagen gedaan.Dit heeft geleid tot een werkwijze waarbij de structuurvan de laag zodanig wordt gemodificeerd, dat delamina-tie niet meer optreedt. Essentieel hiervoor is dat de laageen kolomvormige kristalstructuur bezit en dat de depo-


figuur 11 Fe-Cr deklaag op duplex roestvast staal

sitie zodanig plaatsvindt, dat een reactie tussen staal engesmolten Cr2O3 plaatsvindt, waarbij een gemengd Fe,Cr-oxide, een zgn. spinel, wordt gevormd. Door de zeersnelle afkoeling na de laserbehandeling behoudt de dek-laag de spinelstructuur zelfs bij kamertemperatuur. Indeze spinelstructuur is een afschuiftransformatie waar-genomen, die ervoor zorgt dat het keramische materiaalook bij lage temperatuur kan worden gedeformeerd. Opdeze manier wordt breuk van het (Fe,Cr)-spineltegengegaan.

Materialen en eigenschappenVoor het uitvoeren van de experimenten zijn drie roest-vaste stalen gebruikt en wel een duplexstaal en tweeveel gebruikte austenitische typen. De samenstellinghiervan is weergegeven in tabel 4.

tabel 4 Gebruikte basismaterialen

DIN codering Typen C Cr Ni Mo Fe

X2CrNiMoN22 5 3 Duplex rvs 0,03 22 5,5 3,0 rest

X5CrNi18 10 AlSl 304 0,08 18-20 8-10,5 - rest

X5CrNiMo17 12 2 AlSl 316 0,08 16-18 10-14 2-3 rest

Het Cr2O3 -poeder (10 µm) werd d.m.v. een mondstukonder een hoek op het oppervlak gericht. De invloed vande in te stellen hoek is een onderdeel van het program-ma geweest. Een specifiek voor het laseroppervlakte-bewerken geschikt poederdoseerapparaat is toegepast.Er werden lagen met een snelheid van 20 mm/s en eenoverlap van 75% aangebracht. Het laservermogen be-droeg 1 kW, Stikstof is als schutgas gebruikt.Naast de voordelen van een laserbehandeling, bestaan erechter ook nadelen. Normaliter treden door de laserbe-handeling krimpspanningen op in het materiaal, die wor-den veroorzaakt door de zeer lokale opwarming en af-koeling. Deze krimpspanningen zijn er de oorzaak vandat de meeste keramische deklagen delamineren, d.w.z.loslaten. Gebleken is dat delaminatie in geval vanchroomoxide op staal kan worden voorkomen.Er ontstaat een structuur van verticale kolommen in dekeramische deklaag. Deze kolommen hebben enigebewegingsvrijheid ten opzichte van elkaar, waardoorscheuren preferentieel door de gehele deklaag lopen. Opdeze manier wordt scheurvorming evenwijdig aan hetgrensvlak, en derhalve delaminatie van de deklaag,tegengegaan (figuur 11).

Om de hechting tussen de keramische deklaag en hetmetaal te testen, is gebruikgemaakt van een vierpunts-buigtest. De vierpuntsbuigtest houdt in dat een bekendehoeveelheid elastische energie wordt opgeslagen in dedeklaag door middel van buigen. Bij breuk wordt dezehoeveelheid energie vervolgens gebruikt om de deklaaglos te scheuren van het metaal, zodat de energie peroppervlakte-eenheid, die nodig is om delaminatie teveroorzaken, experimenteel kan worden vastgelegd. Demaximale hechtsterkte die nog kan worden gemeten,hangt onder andere af van de dikte van de deklaag. Eeninteressant resultaat is, dat de hechting tussen dechroomoxide deklaag, met een voor de laserbehandelingmaximale dikte, zo sterk blijkt te zijn, dat delaminatieniet bij een vierpuntsbuigtest plaatsvond.

9 Laserlegeren en dispergeren van titaan en-legeringen

Titaan en titaanlegeringen zijn uit constructief oogpuntzeer interessant. Het zijn lichte, sterke materialen en decorrosiebestendigheid is goed. Het nadeel is de in ver-houding matige weerstand tegen slijtage. Het onderzoekheeft zich geconcentreerd op laseroppervlaktebehande-lingen van deze materialen om tot verbeterde slijtage-eigenschappen te komen. Er zijn verschillende methodenvoor het verbeteren van titaanoppervlakken, met het ele-ment stikstof bijvoorbeeld. Hiervan wordt gebruikge-maakt door het toepassen van de PVD- en CVD-deklaag-technologie (zie brochure 7.1 ‘Overzicht van ter beschik-king staande technieken’). Hiermee worden uiterstdunne lagen van gemiddeld 5 mm opgebracht.Twee verschillende routes zijn gevolgd om het oppervlakvan titaan met behulp van een laser te modificeren. Inbeide gevallen is het doel om een harde fase te creërenop een vervormbaar substraat.

De eerste methode is om door middel van het lasergas-legeren het oppervlak van een TiN-deklaag te voorzienmet een mogelijke dikte van 0,5 mm.De tweede methode is om het oppervlak te modificeren(dispergeren) d.m.v. poederinjectie.

9.1 Lasergaslegeren

Bij deze werkwijze wordt het oppervlak in een stikstof-houdende atmosfeer met behulp van een laser plaatselijkgesmolten. Hierbij neemt het smeltbad stikstof uit deomgeving op, hetgeen leidt tot de vorming van titaan-nitriden (TiN) en stikstofrijk titaan. Voor het onderzoek isgebruikgemaakt van een 1,5 kW CO2-laser, waarbij de


figuur 12 Dwarsdoorsnede over een TiN-laag

figuur 13 Verschil in scheurvorming bij kamertemperatuur(A) en voorwarmen op 250°C (B)

bundel uit focus op het oppervlak was gericht. In deexperimenten is commercieel ongelegeerd titaan en delegering Ti-6Al-4V gebruikt.Er zijn mengsels van N2 en Ar toegepast in verhoudingenvan 0 tot 100%. De effecten op de structuur zijn uitge-breid onderzocht d.m.v. lichtmicroscopisch-, electronen-microscopisch- en röntgendiffractie-onderzoek. Daarnaastzijn hardheidsmetingen en slijtageproeven uitgevoerd.

Microscopisch onderzoekHet bovenste deel van de gemodificeerde laag bestaatuit een dunne TiN-laag met daaronder TiN-dendrieten. Infiguur 12 is een dwarsdoorsnede over de laag weerge-geven. Hierin is de dunne toplaag van ca. 1 à 3 µm ende verticale dendrietstructuur zichtbaar.

Door het inbrengen van stikstof ontstaan de gewensteharde structuren, maar hierbij ontstaan echter hogethermische spanningen die tot scheurvorming kunnenleiden. Een niet ongebruikelijk verschijnsel bij het op-brengen van harde lagen, zowel bij het oplassen als hetopspuiten. De aard van de scheurvorming en het gebruikbepalen of een bepaalde hoeveelheid scheurvorming alof niet toelaatbaar is. Hierbij is het verloop van descheurvorming van belang. Loodrecht op het oppervlakaanwezige scheuren kunnen acceptabel zijn, horizontaleen zeker die op de grenslaag met het basismetaal zijndat niet.Het aantal scheuren kan worden beperkt of zelfs tot nulworden gereduceerd door het preparaat voor te warmenof de partiële druk van de stikstof tijdens het legeren teverlagen door argon bij te mengen. In figuur 13 is heteffect van het voorwarmen op 250°C weergegeven. Hetverschil in scheurvorming op het oppervlak tussenkamertemperatuur en voorwarmen is waar te nemen.In figuur 14 is de invloed van het stikstofgehalte op descheurdichtheid weergegeven.

Door het verminderen van het stikstofaandeel kan descheurvorming zelfs geheel worden onderdrukt, maar deweerstand tegen slijtage daalt dan navenant.

Mechanische eigenschappenDe invloed van stikstoftoevoeging op de mechanischeeigenschappen is d.m.v. hardheidsmetingen en slijtage-proeven vast te stellen. De maximale hardheid in de fijnedendrietstructuur kon variëren van Hv 700 tot 1800.Afhankelijk van de gemeten fasen werden hardhedenvan Hv 300 tot 560 gemeten.Voor het bepalen van de weerstand tegen slijtage is deASTM G65 Rubberwiel test gebruikt. Hierbij worden

figuur 14 Invloed van het stikstofgehalte op de scheur-dichtheid

Si02-deeltjes tussen een draaiend rubberen wiel en hetproefstuk gedoseerd, zoals in figuur 15 weergegeven.

TiN-deklagen werden op de twee materialen, ongele-geerd Ti en Ti-6Al-4V, uitgevoerd. Ook werden proevenuitgevoerd met een gasmengsel van 25% stikstof en tervergelijking op de onbehandelde materialen. De test-resultaten zijn in figuur 16 weergegeven. Hierbij is hetverlies aan gewicht (in mg) van het proefmonster afge-zet tegen de tijdsduur van de proef in minuten.


figuur 18 TiC-reactielaag rond SiC-deeltjes

figuur 15 Schematische weergave van de slijtageproef

figuur 16 Resultaten van de slijtageproeven

Het was voor de hand liggend dat de meeste slijtagewerd vertoond door het ongelegeerde titaan. Het behan-delen met een 25% stikstof gasmengsel gaf enige(18%), maar geen significante, verbetering te zien. Hetaanbrengen van TiN op de Ti-legering gaf een verbete-ring van 35% en tenslotte vertoonde TiN op Ti bijna eenzesvoudige verbetering van het slijtagegedrag. De onder-zoekers hebben hier geen echte verklaring voor, hoeweler verschil in de microstructuur was waar te nemen. Eenandere mogelijkheid is, dat het Al en het V de eigen-schappen hebben beïnvloed. In ieder geval heeft het op-pervlaktecraquelé geen negatieve invloed op de uitkom-sten gehad.

9.2 Dispergeren met keramische deeltjes

Het inbrengen van hoogsmeltende materialen in eenlager smeltend substraat is bij het thermisch spuiten eenbekende techniek. Een voorbeeld is het gebruik vanwolframcarbiden op staal. Het voordeel van het disper-geren is, dat de harde, slijtbestendige dragende deeltjes,ingebed liggen in het zachtere substraat. Dit is een tech-niek voor het laten functioneren van glijlagers. Door dehoge procestemperatuur zullen de hoogsmeltende deel-tjes desondanks verbindingen met het substraat kunnenaangaan. In figuur 17 is het proces voor het laserdisper-geren schematisch weergegeven.

Het laserdispergeren is een erg gevoelig proces in ver-band met de injectiepositie van het poeder, de interac-

figuur 17 Schematische weergave van het laserdispergeer-proces

tietijd met de laser en de gebruikte hoeveelheid poeder.De tijd die de deeltjes in het vloeibare titaan doorbren-gen neemt namelijk af door de injectiepositie te verplaat-sen in de richting tegengesteld aan de bewegingsrichtingvan de laserbundel. Bovendien heerst er een lagere tem-peratuur op de plek waar de deeltjes het smeltbad bin-nendringen. Beide effecten leiden tot een afname van demate waarin de deeltjes oplossen. In het geval van injec-tie van SiC-deeltjes worden er nieuwe fasen gevormd;een eutectische structuur, gefaceteerde Ti5Si3 korrels enTiC-dendrieten. Bovendien wordt er een TiC-reactielaaggevormd rondom de SiC-deeltjes (zie figuur 18).

De dikte van deze laag neemt toe naarmate de interac-tietijd dan wel de temperatuur toeneemt. Scheuren wor-den relatief gemakkelijk geïnitieerd in geval van sterkedecompositie van de deeltjes, terwijl dit bij geringe de-compositie veel minder het geval is. Dit kan worden ver-klaard door het verschil in treksterkte tussen de gevorm-de fasen. Verder is waargenomen dat de scheurvoort-planting aan het grensvlak tussen SiC en TiC verschil-lend is voor beide type reactielagen. Naast SiC- is ookTiC- en TiN-poeder als toevoegmateriaal gebruikt.

Mechanische eigenschappenDe mechanische eigenschappen hangen sterk af van demate waarin de deeltjes in het smeltbad oplossen. Zokan de hardheid van de matrix variëren van Hv 650 tot1100 door eenvoudigweg de poederinjectiepositie aan tepassen.


Voor de gebruikte materialen zijn, eveneens als bij hettoepassen van stikstofinjectie, rubberwiel-slijtageproevenuitgevoerd. De resultaten hiervan zijn samengevat infiguur 19.

figuur 19 Resultaten van slijtageproeven met keramischepoeders

Uit de resultaten blijkt dat er door het gebruik van SiC-poeder een toename van een factor vijf plaatsvindt.Deze ligt op hetzelfde niveau als het toepassen vanstikstofinjectie.De conclusie is dat de deklagen in principe geschikt zijnvoor gebruik als lagermateriaal. Vooral de metaal-matrixcomposiet bestaande uit SiC-deeltjes in Ti-6Al-4V en degasgelegeerde TiN-lagen zijn zeer veelbelovend.

10 Conclusies

Uit de uitgevoerde projecten en de tot nu toe tallozebekende toepassingen in het buitenland, kan niet andersworden geconstateerd dat het oppervlaktebehandelenmet de laser een buitengewoon interessante technologieis. De laser, als warmtebron, kan op een breed scala vanoppervlaktebehandelen worden ingezet, vanaf het laser-harden, cladden, legeren tot het dispergeren. Door sa-menwerking van de diverse onderzoeksorganisaties inNederland is een goed gespreide, ook in de breedte ende diepte, kennis vergaard.De potentie is dus aanwezig, maar de projecten hebbenook aangetoond dat een goede proces- en kennisbeheer-sing een voorwaarde is. Onderzoek is nog geen toepas-sing, maar het ontbreekt in Nederland niet aan de nodigekennis om de technologie verder te gaan vercommercia-liseren. Het is ook uit commercieel oogpunt nodig dathet toepassingsgebied van de laser wordt verruimd. Konje pakweg 15 jaar geleden met bijvoorbeeld het laser-snijden een dik belegde boterham verdienen, nu is deconcurrentie aanzienlijk scherper geworden en moet jehet steeds meer van de meer kennisintensieve toepas-singen hebben. En dat is het oppervlaktebehandelen metde laser.

11 Referenties

1 Proefschrift I. van Sprang, 1992. The use of modelsfor the determination of the machining parameters oflaserhardening and lasercladding. Universiteit Twente

2 Proefschrift M.F. Schneider, 1998. Lasercladdingwith powder, effect of some machining parameterson clad properties. Universiteit Twente.

3 Proefschrift M. van den Burg, 1994. Fundamentaland Applied Aspects of Laser Processed ceramiccoatings on Metals, Rijksuniversiteit Groningen.

4 Proefschrift Xiao Bo Zhou, 1995. Reaction Coatingson Metals by Laser Processing - a study on interfacestructures and wetting phenomena, RijksuniversiteitGroningen.

5 Proefschrift A.B. Kloosterman, 1998. SurfaceModification of Titanium with Lasers,Rijksuniversiteit Groningen.

6 M.F. Schneider, 1994, Oppervlaktebewerkingen metlasers: transformatieharden en omsmelten, MB, jrg.60, nr. 4, april, p.98-103.

7 M.F. Schneider, 1994, Oppervlaktebehandelingenmet lasers: legeren, dispergeren en cladden, MB, jrg.60, nr. 11/12, november/december, p. 326-332.

Oppervlaktebewerking met de laser - nil-vc.ha-media.nl · Informatie over en bestelling van...

Documents

Transcript of Oppervlaktebewerking met de laser - nil-vc.ha-media.nl · Informatie over en bestelling van...