Schwenkbiegemaschinen warten: Genauigkeit und Lebensdauer sichern
Die ersten Blechteile eines Wiederholauftrags bestehen die Prüfung. Nach der Hälfte des Produktionslaufs nimmt der Bediener eine weitere Winkelkorrektur vor,…
Der vorliegende Artikel behandelt die Beschichtung von Aluminium mit Silazan und anderen Metallen durch Laserbehandlung. Das resultierende, mit Silazan beschichtete Aluminiums Substrat weist eine höhere Härte im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren auf und eignet sich hervorragend für den Verschleißschutz.
Die Steifigkeit und das spezifische Gewicht von Aluminium, sei es in Reinform oder als Legierung, machen es zu einem vielversprechenden Werkstoff für die Herstellung von Strukturbauteilen. Die Lebensdauer von Aluminium ist jedoch aufgrund seiner geringen Oberflächenhärte und Verschleißfestigkeit begrenzt. Obwohl die Keramisierung im Ofen mit vorläuferbasierten Beschichtungen die beste Methode zur Steigerung der Steifigkeit darstellt, ist deren Anwendung auf hochtemperaturbeständige Substrate beschränkt.
Eine hohe spezifische Festigkeit und Steifigkeit sind Grundvoraussetzungen für die Entwicklung leichter Strukturbauteile in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Automobilindustrie. Unter den zahlreichen verfügbaren Materialien erfüllen Aluminium und seine Legierungen dieses Kriterium.
Obwohl Oberflächenbeschichtungen eine kostengünstige und effektive Methode zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit und Oberflächenhärte von Aluminium darstellen, müssen sie bei Temperaturen unter 200 Grad Celsius aufgebracht werden, um eine Schädigung des Materials zu vermeiden. Zu den angewandten Beschichtungsverfahren zählen unter anderem die physikalische Gasphasenabscheidung (PVD). Dabei werden häufig Nitride von Titan (TiN) und Chrom (CrN) auf Aluminium abgeschieden. Während PVD-Beschichtungen dünn sind, ergeben thermische Spritzverfahren dicke und verschleißfeste Schichten.
Die Polymer-abgeleitete Keramiktechnologie (PDC) stellt eine alternative Methode zur Erzeugung harter und hitzebeständiger keramischer Beschichtungen dar. PDC-Beschichtungen können einfach durch Sprühen, Spin-Coating, Tauchen oder mit einer Rakel aufgetragen werden.
In einer Studie im Fachjournal Ceramics International berichten die Autoren über keramisch beschichtetes Aluminium, das mittels Laserbehandlung hergestellt wurde. Die Keramikbeschichtung bestand aus 3 Mol-% yttriumstabilisiertem Zirkoniumoxid (ZrO2) und Aluminiumfüllern. Der Zusatz von ZrO2 erhöht die Schichtdicke und verbessert die mechanischen Eigenschaften. Im Vergleich zu anderen Keramiken weist ZrO2 einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) auf, wodurch thermische Spannungen zwischen Beschichtung und Substrat reduziert werden. Die Zugabe von Aluminiumflocken verbessert die Laserabsorption und begünstigt die Umwandlung der Laserstrahlung an der Beschichtungsoberfläche. Zudem handelt es sich bei Aluminium um eine Komponente mit niedrigem Schmelzpunkt, was die Spannungen während der Erstarrung des Beschichtungssystems verringert.
Die Autoren gehen davon aus, dass die untersuchte Laserpyrolyse des Beschichtungssystems großes Potenzial für den Verschleißschutz von Substraten mit niedrigem Schmelzpunkt wie Aluminium bietet. Aufgrund der kurzen Wechselwirkungszeit und selektiven Pyrolyse durch die Laserstrahlung kann eine Beschichtung des Substrats ohne thermische Schädigung oder Schmelzen erfolgen. Darüber hinaus stellt das Verfahren eine kostengünstige Möglichkeit dar, keramische Beschichtungen auf hitzeempfindlichen Substraten mit geringer Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit aufzubringen.
In einer aktuellen Arbeit in Nanotechnologies wurde die Aluminiumlegierungsoberfläche mit multifunktionalen Beschichtungen mit hierarchischer Rauigkeit aus Mikro- und Nanostrukturen versehen. Nach der Chemisorption von Fluorsilanen auf der Aluminiumlegierung zeigte die beschichtete Oberfläche superhydrophobe Eigenschaften, die auch unter mechanischer Belastung oder UV-Strahlung erhalten blieben. Zudem wies die Beschichtung selbstheilende Eigenschaften bei langfristigen Strukturschäden auf.
Eine weitere Studie im Journal ACS Applied Materials and Interfaces behandelte die Erzeugung superhydrophober, oxidierter Aluminiumoberflächen mit erhöhter Lochfraßbeständigkeit in Natriumchloridlösungen. Diese Beschichtungen finden potenzielle Anwendungen in der Automobilindustrie, im Schiffbau, in der Luftfahrt, im Bauwesen und in der Medizin. Die Methode basierte auf einer nanosekundengenauen Laserbehandlung der Oberfläche, gefolgt von der Chemisorption eines hydrophoben Mittels, um den superhydrophoben Zustand zu erreichen. Elektrochemische und Benetzungsexperimente zeigten, dass der superhydrophobe Zustand den Korrosionsprozess in Chloridlösungen über mehrere Tage hemmte.
Eine weitere aktuelle Studie im Journal of Thermal Spray Technology stellte einen neuen zweistufigen Ansatz zur Abscheidung von Hochentropie-Legierungsbeschichtungen auf Aluminiumsubstraten vor. Im ersten Schritt wurde eine 2,5 mm dicke Verbundvorläuferschicht mittels Kaltgasspritzen mit zwei Mischungen aus jeweils fünf Metallpulvern auf das Aluminiumsubstrat aufgetragen. Im zweiten Schritt erfolgte das Laseraufschmelzen der 500-1000 µm dicken Deckschicht der Verbundbeschichtung. Die Mikrostrukturanalyse des hergestellten Metalls zeigte eine gute Durchmischung der Elemente im Schmelzbad während des Laseraufschmelzens.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die photonengesteuerte Materialherstellung mit Lichtstrahlen und die lasergestützte Modifikation in der Grundlagenforschung großes Interesse geweckt haben. Da die Laserbearbeitung ein sensibler Prozess ist, erfordert sie eine präzise Kontrolle der Laserparameter. Die lasergestützte Oberflächenmodifikation verbessert die mechanischen Eigenschaften und hemmt die Korrosion von Aluminium und seinen Legierungen. Darüber hinaus steuert der Zusatz keramischer Partikel die Entwicklung der Mikrostruktur.
Bemerkenswert ist, dass diese Oberflächenmodifikation ein großes Potenzial für Reparatur- und Wartungsanwendungen in der Biomedizin, im Automobilbau, in Triebwerken, Werkzeugmaschinen, der Ölbohrung und der Prozessindustrie bietet.
