Die entscheidende Rolle der Pulvermorphologie beim Laserauftragschweißen
Beim Laserauftragschweißen sind die physikalischen Eigenschaften des Pulvers ebenso entscheidend wie seine chemische Zusammensetzung. Für eine erfolgreiche metallurgische Verbindung und eine gleichmäßige Schicht muss das Pulver eine hervorragende Fließfähigkeit und eine gleichmäßige Partikelgrößenverteilung aufweisen. Kugelförmige Pulver, die typischerweise durch Gaszerstäubung hergestellt werden, werden bevorzugt, da sie die innere Reibung innerhalb des Zufuhrsystems minimieren. Dies sorgt für einen gleichmäßigen Massenfluss in das Laserschmelzbad und verhindert Schwankungen, die zu einer ungleichmäßigen Dicke oder „Sickenbildung“ der plattierten Bahn führen können. Wenn Partikel unregelmäßig oder gezackt sind, neigen sie dazu, die Förderdüsen zu verstopfen und Turbulenzen im Schutzgas zu verursachen, was letztendlich zu Porosität führt und die Gesamtdichte der Schutzbeschichtung verringert.
Auch die Partikelgrößenverteilung (PSD) spielt eine entscheidende Rolle bei der Energieabsorption. Typischerweise werden Laserauftragspulver in einen Bereich von 45 bis 150 Mikrometern eingeteilt. Feinere Partikel schmelzen möglicherweise zu schnell oder werden vom Gasstrom weggeblasen, bevor sie das Substrat erreichen, während zu grobe Partikel möglicherweise nicht vollständig schmelzen, was zu „ungeschmolzenen Einschlüssen“ führt, die als Spannungskonzentratoren wirken. Das Erreichen der perfekten Balance in der Morphologie stellt sicher, dass die Laserenergie gleichmäßig verteilt wird, was zu einer glatten Oberflächenbeschaffenheit führt, die nur minimale Nachbearbeitung erfordert.
Gängige Legierungssysteme und ihre industriellen Anwendungen
Die Auswahl der richtigen Materialchemie ist der erste Schritt bei der Anpassung einer Komponente an bestimmte Umweltherausforderungen wie extreme Hitze, Abrieb oder chemische Angriffe. Laserbeschichtungspulver werden im Allgemeinen in vier Hauptfamilien eingeteilt: Verbundwerkstoffe auf Eisenbasis, Nickelbasis, Kobaltbasis und karbidverstärkte Verbundwerkstoffe. Jedes System bietet je nach Substratkompatibilität und den gewünschten Leistungskennzahlen des Endteils unterschiedliche Vorteile.
| Kategorie Pulver | Hauptmerkmale | Typische Anwendung |
| Auf Eisenbasis | Kostengünstig, gute Verschleißfestigkeit | Hydraulikzylinder, Wellen |
| Auf Nickelbasis | Hervorragende Korrosions- und Hitzebeständigkeit | Ventile, Kesselrohre, Schiffsteile |
| Kobaltbasiert (Stellit) | Hochtemperaturhärte, Abriebfestigkeit | Turbinenschaufeln, Motorventile |
| Wolframkarbid (WC) | Extreme Härte und Erosionsschutz | Bergbaubohrer, Öl- und Gaswerkzeuge |
Eisenbasierte Pulver zur wirtschaftlichen Wiederherstellung
Pulver auf Eisenbasis sind die Arbeitspferde der Wiederaufbereitungsindustrie. Sie werden häufig zur Wiederherstellung verschlissener Abmessungen an Bauteilen aus Kohlenstoffstahl verwendet. Da ihre thermischen Ausdehnungskoeffizienten denen vieler Industriestähle ähneln, ist das Risiko einer Delaminierung oder Rissbildung an der Grenzfläche im Vergleich zu exotischen Legierungen deutlich geringer. Diese Pulver werden häufig mit Chrom und Silizium legiert, um eine grundlegende Oxidationsbeständigkeit und eine verbesserte Fließfähigkeit während der Schmelzphase zu gewährleisten.
Nickel- und Kobaltlegierungen für raue Umgebungen
Für Komponenten, die in aggressiven chemischen Umgebungen oder bei Temperaturen über 600 °C betrieben werden, sind Pulver auf Nickel- und Kobaltbasis unerlässlich. Nickelbasierte Legierungen wie Inconel 625 bieten eine robuste Barriere gegen Lochfraß und Spaltkorrosion. Legierungen auf Kobaltbasis, oft auch als Stellite-Materialien bezeichnet, behalten ihre Härte auch bei Rotglut und sind damit der Industriestandard für Turbinenkomponenten und Hochdruckdampfventile in der Luft- und Raumfahrt.
Optimierungsstrategien für die Pulvernutzung
Um die Effizienz des Laserauftragschweißens zu maximieren und Materialverschwendung zu reduzieren, müssen sich die Bediener auf die „Einfangeffizienz“ konzentrieren – das Verhältnis des erfolgreich in das Schmelzbad eingearbeiteten Pulvers zur versprühten Gesamtmenge. Hochwertige Pulver in Kombination mit einer präzisen Düsenausrichtung können den „Overspray“, der zu erhöhten Kosten führt, deutlich reduzieren. Darüber hinaus sind Lagerung und Handhabung dieser Pulver von entscheidender Bedeutung, um Verunreinigungen und Feuchtigkeitsaufnahme zu verhindern, die zu Wasserstoffversprödung oder Gasporosität in der fertigen Plattierungsschicht führen können.
- Vorwärmen des Pulvers oder Substrats, um Wärmegradienten zu reduzieren und Rissbildung in Materialien mit hohem Kohlenstoffgehalt zu verhindern.
- Verwendung spezieller „Cermet“-Pulver (Keramik-Metall), um die Zähigkeit einer Metallmatrix mit der Härte von Keramikpartikeln zu kombinieren.
- Regelmäßige Kalibrierung des Pulverdosierers, um eine konstante Zufuhrrate (g/min) für wiederholbare Ergebnisse bei großen Chargen sicherzustellen.
- Implementierung einer Vakuumtrocknung für Pulver, die Feuchtigkeit ausgesetzt waren, um die Beseitigung dampfbedingter Defekte sicherzustellen.
Durch das Verständnis des Zusammenspiels zwischen Pulverchemie, Morphologie und Laserparametern können Hersteller überlegene Oberflächeneigenschaften erzielen, die die Lebensdauer kritischer Infrastruktur verlängern. Ob es um die additive Fertigung neuer Teile oder die Reparatur teurer Maschinen geht, die Wahl des Laserauftragspulvers bleibt der einflussreichste Faktor für die Haltbarkeit und Qualität des Endprodukts.
