Untersuchungen zum Kurzzeit-Flüssigphasensintern von Wolframkarbid mit Kobald-Bindephasen durch Laserstrahlung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die wissenschaftliche Aufgabenstellung des Projekts bestand in der Untersuchung der Prozessmechanismen beim Flüssigphasensintern von Wolframkarbid-Kobalt (WC-Co) durch Laserstrahlung. Ziel war die Entwicklung eines Prozessmodells, das unter Berücksichtigung der wesentlichen Einflussgrößen eine Prozessauslegung im Hinblick auf eine hohe Werkstoff dichte ermöglicht. Zum Erreichen der definierten Ziele wurden die folgenden Aufgabenstellungen bearbeitet: 1.) Theoretische Untersuchungen und Modellierung der Prozess-Mechanismen und Wechselwirkungen beim Lasersintern von WC-Co 2.) Analyse der Pulverwerkstoffcharakteristika hinsichtlich ihres Einflusses auf das Prozessverhalten 3.) Experimentelle Untersuchungen zum Prozessverhalten beim Lasersintern von WC-Co 4.) Nachverdichtung von lasergesinterten, porösen WC-Co-Bauteilen mittels Infiltration 5.) Übertragung der Ergebnisse auf das Lasersintern anhand von Demonstrationsbauteilen Im Rahmen der theoretischen Untersuchungen wurden die wesentlichen Prozesseinflussgrößen für das Flüssigphasensintern eines zweikomponentigen, pulverförmigen Ausgangswerkstoffs identifiziert und bei der modellhaften Beschreibung des Lasersinterns von WC-Co berücksichtigt. In experimentellen Untersuchungen wurde zunächst der Einfluss des Pulverwerkstoffs auf das Sinten/erhalten analysiert. Hierzu wurden unterschiedliche Pulverwerkstoffe hinsichtlich chemischer Zusammensetzung, Korngrößenverteilung und Kornform charakterisiert und ihr Verhalten im Lasersinter-Prozess untersucht. Der Einsatz von WC-Co-Pulvern, die eine Partikelgröße von mehr als 10 um aufwiesen, ermöglichte einen stabilen Aufbau von Schichten mit einer konstanten Dicke und einer geringen Oberflächenrauheit. Bei einem Einsatz von Pulvern mit einer kleineren Partikelgröße entstanden Agglomerationen aufgrund von elektrostatischen Ladungen. Die höchsten relativen Dichten (derzeit max. relative Dichte 78% bei WC-Co 75-25) konnten jedoch mit Pulvern erzielt werden, bei denen einzelne WC- und Co-Partikel zuvor durch eine Vorbehandlung (Attritormühle bzw. Sintern) bereits zu Konglomeraten vermählen bzw. versintert wurden. Dabei wird die Benetzung der WC-Partikel mit Kobalt in der schmelzflüssigen Phase begünstigt und damit die Fließweglängen für das Kobalt verkürzt. Bei konstanter Flächenenergie führten eine hohe Laserleistung (PL) und eine gleichzeitig hohe Belichtungsgeschwindigkeit (vs) zu besseren Sinterergebnissen (höhere relative Dichte) im Vergleich zu niedrigen Laserleistungen bei langsamen Belichtungsgeschwindigkeiten. Bei identischer Flächenenergie wurde so bei Wahl einer hohen PL-vs-Kombi nation eine bis zu 10% höhere relative Dichte (WC-Co 88-12) erzielt. Durch eine dem Lasersinter-Prozess nachgeschaltete Infiltration der Bauteile mit Kobalt konnte die relative Dichte weiter gesteigert werden (max. relative Dichte 89,5%). Ein absolut dichtes Gefüge wurde aufgrund der vorhandenen geschlossenen Porosität im Bauteil durch Infiltration jedoch nicht erreicht. Die durchgeführten metallographischen Untersuchungen zeigten, dass beim Lasersintern mit konventionell hergestelltem Hartmetall vergleichbare Einlagerungsgefüge aus Wolframkarbid- Kobalt hergestellt werden können. Die Verdichtung erfolgt dabei durch ein Flüssigphasensintern der Co-Phase. Darüber hinaus konnten vereinzelt Sinterkontakte zwischen WC-Partikeln beobachtet werden (Anschmelzung des Wolframkarbids), deren Beitrag zur Verdichtung und Festigkeit des Werkstoffverbunds jedoch als gering erachtet wird. Die Ergebnisse aus den Einzelschicht- und Mehrschichtuntersuchungen wurden abschließend auf das Lasersintern von Demonstrationsbauteilen aus WC-Co übertragen. Die Eignung des Lasersinterns zur Herstellung komplexer Geometrien wurde anhand der Bauteile"Kanne« und »Pyramide« nachgewiesen. Diese Bauteile waren durch Durchbrüche, Kavitäten und geringe Wanddicken (1 mm) gekennzeichnet. Für eine zukünftige industrielle Nutzung lasergesinterter WC-Co-Bauteile muss deren relative Dichte noch gesteigert werden. Ziel der weiteren Entwicklungen am Fraunhofer-lnstitut für Produktionstechnologie IPT ist es daher, die Anteile offener und geschlossener Porosität der Bauteile zu reduzieren. Schwerpunkte bilden hierbei der Einsatz kleinerer Partikelgrößen sowie weiterführende Untersuchungen zur Infiltration von WC-Co-Bauteilen mit Kobalt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Ein Kongressbeitrag erfolgte in der 2006 International Conference on Tungsten, Refratory & Hardmetals in Orlando, Florida, USA (7. - 8. Februar 2006). Der Beitrag wurde im Tagungsband "Proceedings of the 2006 International Conference on Tungsten, Refratory & Hardmetals" (Seiten 132-140, Metal Powder Indutries Federation, Princeton, NJ, USA, 2006) publiziert. Autoren: Gläser, T.; Klocke, F.; Bergs, T.
