Funktionalisierung von Bauteiloberflächen durch Mikro-Laserauftragschweißen

Jambor, Torsten; Poprawe, Reinhart

doi:4769

Funktionalisierung von Bauteiloberflächen durch Mikro-Laserauftragschweißen = Functionalization of surfaces by micro laser cladding

Jambor, Torsten (Author)

2013

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Torsten Jambor

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2013

UmfangII, 157 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2012

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Poprawe, Reinhart (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2012-10-19

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-47690
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/229125/files/4769.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Lasertechnik (418710)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Laser (Genormte SW) ; Laserbeschichten (Genormte SW) ; Tantal (Genormte SW) ; Gold (Genormte SW) ; Silber (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Bürstenförderer (frei) ; Koaxialdüse (frei) ; Mikro-Laserauftragschweißen (frei) ; brush feeder (frei) ; coaxial powder nozzle (frei) ; micro laser cladding (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
In der vorliegenden Arbeit werden Ergebnisse der Systemtechnik- und Verfahrensentwicklung zur Verkleinerung der erreichbaren Strukturgrößen (Einzelspurgeometrie) beim Mikro-Laserauftragschweißen mit pulverförmigen Zusatzwerkstoffen vorgestellt. Schwerpunkt der Systemtechnikentwicklung sind die Komponenten Pulverförderer, Pulververteiler, Transportleitungen und Pulverdüse inklusive Schutzgasabschirmung. Ziele sind die Förderung von nicht fließfähigen Pulverwerkstoffen (mittlerer Pulverpartikeldurchmesser d50< 10 µm), die Reduzierung des Pulverfokusdurchmessers der Pulverdüse, eine gute Abschirmung der Bearbeitungsstelle durch das Schutzgas sowie die Vermeidung von Ablagerungen im Transportleitungssystem. Durch die Integration eines Bürstenförderers und die Verwendung von 316L mit einer Pulverkornfraktion d50= 4,7 µm wird gezeigt, dass sich Einzelspurgeometrien (hES x bES x t) von 25 x 6 x 1 µm3 realisieren lassen. Durch die Verwendung einer außen liegenden Schutzgasglocke und die Anpassung der Gasvolumenströme werden Pulverfokusdurchmesser von 200 – 240 µm bei 40 ppm Sauerstoffgehalt an der Bearbeitungsstelle erreicht.Bei der Verfahrensentwicklung werden für die Herstellung von Einzelspuren mit Einzelspurbreiten zwischen 25 und 50 µm Prozessfehler wie auftretender Overspray untersucht sowie ein systematischer Ansatz zur Untersuchung der Topographie und des Aufmischungsgrades von Einzelspuren und Schichten präsentiert. Neben den grundlegenden Untersuchungen mit eisenbasierten Zusatzwerkstoffen werden Ergebnisse mit Edelmetallen (Gold und Silber) als Zusatzwerkstoff für die Herstellung von Kontaktpunkten auf Bipolarplatten für Brennstoffzellen und für Tantal bei der Herstellung von röntgensichtbaren Markierungen auf Stents durch Mikro-Laserdispergieren gezeigt. Die verzugsfreie Herstellung von Goldkontaktpunkten mit den Abmessungen 60x30 µm auf metallischen Bipolarplatten (d= 100 µm) für Brennstoffzellen führt zu einer Halbierung der Degradation einer aufgebauten Zelle und einer Erhöhung der Zellleistung um 30%, so dass die Zellleistung mit konventionellen graphitischen Bipolarplatten vergleichbar ist. Dabei wird nur 1/100 der Menge an Gold eingesetzt, die bei einer konventionellen galvanischen Beschichtung der metallischen Bipolarplatte notwendig ist. Bei der Dispersion von Tantalpartikel in die Endlöffel von Nitinol-Stents mit einer Wandstärke von 0,2 mm wird die Eignung dieses Verfahrens für die Herstellung von Röntgenmarkierungen auf 1 x 1,5 mm großen Endlöffeln gezeigt.

The system technology and process development for decreasing the achievable structure sizes (track geometry) for the micro laser cladding process with powder as additive material is presented. The main focus during the system technology development lies on the components powder feeder, powder distributor, transport tubes and powder nozzle including the shielding gas system. Aim is to allow the feeding of non flowable powders (powder particle sizes d50< 10 µm), to decrease the powder focus diameter of the powder nozzle, to achieve a good protection of the melting pool with shielding gas and to avoid powder agglomeration in the transport tubes. By integrating a brush feeder and using 316L with d50= 4,7 µm as additive material the realization of single tracks with a track geometry (hES x bES x t) of 25 x 6 x 1 µm3 is shown. With a coaxial powder nozzle, an outer shielding gas nozzle and the adaptation of the gas flows powder focus diameters between 200 and 240 µm can be realized. During the process development of tracks with a width between 25 and 50 µm typical process deviations as overspray are discussed and a systematic approach concerning the topography and dilution of single tracks and layers in dependence of the process parameters is presented. Beside the results of the basic investigations performed with iron based alloys as additive material results with precious metals (gold and silver) for the manufacturing of contacts on bipolar plates for fuel cells and tantalum for the manufacturing of x-ray markers on stents are presented. By laser cladding of gold contacts with a contact geometry of 60 x 30 µm2 on bipolar plates (d= 100 mm) of metallic fuel cells the degradation of an assembled fuel cell stack can be reduced by factor 2 and the output power increased by 30% so that the output power is comparable to conventional bipolar plates made of carbon. For the selective laser cladding with gold as additive material only 1/100 of the amount of material is necessary compared with a conventional galvanic coating. By laser dispersing tantalum particles in an area of 1 x 1.5 mm2 on nitinol stents with a wall thickness of 200 µm the feasibility of this process is shown for the manufacturing of x-ray visibility markers.

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