LSP200 - Charakterisierung des Laserstrahlschockhärtens zur Randschichtverfestigung von AlSi-Gusslegierungen
Mittels Laserstrahlschockhärten ist es möglich, die mechanischen Eigenschaften, wie beispielsweise die Härte oder die Ermüdungsbeständigkeit eines Bauteils, signifikant zu erhöhen. Dazu wird auf der Werkstückoberfläche durch einen gepulsten Nd:YAG-Laser ein Plasma erzeugt. Die Ausbreitungsenergie dieser Gaswolke überträgt einen Impuls auf die Werkstückoberfläche. In der Randzone des Werkstücks breitet sich eine Schockwelle aus, welche die Versetzungsdichte steigert und folglich eine Kaltverfestigung bewirkt. Um die räumliche Ausdehnung der Druckwelle zu begrenzen und die Tiefe der Kaltverfestigung zu erhöhen, wird eine geeignete Deckschicht (Glas oder Wasser) auf die Werkstückoberfläche aufgebracht. Zusätzlich wird eine Absorptionsschicht, welche die Werkstückoberfläche vor Beschädigungen schützt, aufgetragen. In Dieselmotoren werden typischerweise Aluminiumkolben eingesetzt, welche aus AlSi-Legierungen bestehen. Dabei kommen der Legierung seine hohe Festigkeit, Verschleißbeständigkeit, Wärmeleitfähigkeit sowie die hervorragenden Gießeigenschaften zu Gute. Zusätzlich werden weitere Legierungselemente (bspw. Cu, Ni, Mg) beigemischt. Diese haben die Aufgabe, die mechanischen Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen zu steigern. Die genannten Legierungselemente führen dabei je nach Gehalt zu einer Verminderung der Wärmeleitfähigkeit, welche durch die Verwendung von eutektischen und übereutektischen AlSi-Legierungen einen gewichtigen Einfluss auf die Abführung der Wärme vom Brennraum beziehungsweise der Kolbenmulde hat. Resultierend daraus sind mögliche thermische Spannungen oder überproportional heiße, lokale Zonen während des Verdichtungsprozesses, welche die Lebensdauer des Kolbens herabsetzen können. Das Laserstrahlschockhärten stellt eine geeignete Verfahrensalternative zur konventionellen Nachbehandlung der Kolbenmulden dar, da der erforderliche zonale Härteanstieg auch bei eutektischen, niedrig legierten AlSi-Werkstoffen bewirkt werden kann, was die Wärmeabfuhr im Kolben begünstigt. Die vorliegende Veröffentlichung beinhaltet die Konzeptionierung und den Aufbau eines Versuchsstandes zur drei- dimensionalen Anwendung des Laserstrahlschockhärtens sowie eine umfassende Charakterisierung des Prozesses an Hand von AlSi- Gusslegierungen.
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