Lokales Werkstoffengineering zur Modifizierung der Randschichteigenschaften von Aluminiumlegierungen mittels moderner Elektronenstrahl-Ablenktechniken*
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Marco Klemm
Kurzfassung
In der industriellen Praxis werden für moderne konstruktive Lösungen in beachtlichem Umfang Al-Werkstoffe genutzt. Die Umsetzung neuer Leichtbaulösungen wird jedoch aufgrund der Beanspruchungsbedingungen beschränkt, u. a. bzgl. Reibung/Verschleiß. Es sind Zusatzmaßnahmen zur beanspruchungsgerechten Modifikation der Randschichteigenschaften erforderlich. Als eine aussichtsreiche Methode bietet sich die Elektronenstrahl(EB)-Flüssigphasen-Randschichtbehandlung an, unter Nutzung der Möglichkeiten der hochfrequenten Strahlablenkung für ein lokales Werkstoffengineering. Die Herausforderungen bestehen hier insbesondere darin, schmelzmetallurgische Schichtverbunde mit hoher Qualität bzgl. Poren- und Rissfreiheit u. a. zu erzeugen und einen effizienten Verfahrensablauf zu garantieren. Am Beispiel industriell relevanter Al-Werkstoffe wurden EB-Flüssigphasenprozesse ohne und mit Verwendung von Zusatzstoffen untersucht. Die Resultate zeigen, dass sich mittels moderner EB-Mehrspot/-Mehrprozess-Technologien qualitativ hochwertige Randschichten mit neuartigen Struktur-, Gefüge-, Eigenschaftskomplexen mit Umwandlungstiefen bis 6 mm herstellen lassen. Im Vergleich zu den unbehandelten Werkstoffen können kennzeichnende mechanische Eigenschaften im oberflächennahen Bereich deutlich gesteigert werden. Untersuchungen zum Reibungs- und Verschleißverhalten verdeutlichen eindrucksvoll die Verbesserung der Randschichteigenschaften.
Abstract
Aluminium based materials are increasingly used for modern constructive solutions. However, the realization of modern lightweight construction solutions is strongly constricted regarding the limited load capacity, especially due to friction/wear. Thus, it is of large interest to modify the local properties close to the surface by means of additional surface treatment processes. Electron beam (EB) liquid phase surface treatment using the options of high frequency beam deflection is a promising technology for local materials engineering. At this, the main challenge is the production of metallurgical bonded surface layers which can meet high quality demands (i. e. free from cracks and porosity) and simultaneously ensure an efficient process run. Exemplarily, different industrially relevant Al alloys were used to demonstrate the technologies EB surface remelting (without additives) as well as EB surface alloying (with Co, Cu and Ni base additives) and EB surface dispersing (with WC additive). The experimental results demonstrate the capabilities to generate high quality surface layers up to 6 mm in thickness with new microstructure/property relationships, especially using innovative EB multi (spot) process techniques. In comparison to the untreated materials, in the modified areas near to the surface the relevant layer properties are explicitly increased. Moreover, EB liquid phase surface treatment considerably upgrades the wear and friction behaviour.
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