Verbessertes Reibungs- und Verschleißverhalten von Ti6Al4V durch Lasertexturierung

22.7.2019

© Fraunhofer IWM

Abbildung 1: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen eines Kanals mit Schmelzaufwurf nach der Lasertexturierung (links) und nach der tribologischen Belastung (Mitte) sowie der tribologisch beanspruchten, unbehandelten Referenzoberfläche (rechts).

Daniel Kümmel, Dr.-Ing. Johannes Schneider

Titanlegierungen wie die α/β-Legierung Ti6Al4V weisen Zugfestigkeiten von ca. 900 MPa, eine geringe Dichte und eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit auf, was sie zu geeigneten Werkstoffen für den Leichtbau beispielsweise in der Luft- und Raumfahrtindustrie macht. Allerdings erweist sich das tribologische Verhalten von Ti6Al4V-Gleitpaarungen in vielen Fällen bedingt durch einen ausgeprägten adhäsiven Verschleiß als sehr ungünstig. Hier kann leider auch durch den Einsatz von konventionellen Schmierstoffen in der Regel keine Abhilfe geschaffen werden.

Am µTC wurden deshalb im Rahmen des BMWi Verbundprojektes „FAWIBO - Fahrwerksystem für Wide-Body-Flugzeuge der nächsten Generation“ (Förderkennzeichen 20Y1505C) Untersuchungen zur lasergestützten Oberflächenmodifizierung von Ti6Al4V im Hinblick auf tribologische Anwendungen durchgeführt. Hierzu wurden mit Hilfe eine ns-gepulsten Faserlasers auf den tribologischen Wirkflächen parallele Kanalstrukturen mit einer Breite von etwa 30 µm und einer Tiefe von 10 µm eingebracht. Die Packungsdichte (Kanalbreite/Kanalabstand) der Oberflächentexturen wurde dabei zwischen 0,5 und 200% (Überlappung der Kanäle führte zum Umschmelzen der gesamten Oberfläche.) variiert. Die bedingt durch die langen Pulsdauern im ns-Bereich auftretenden Schmelzaufwürfe an den Kanälen hatten eine Breite von ca. 14 µm und eine durchschnittliche Höhe von 13 µm (Abbildung 1 links).

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Abbildung 2: Reibungszahl in Abhängigkeit vom zurückgelegten Gleitweg für verschiedene Lasertexturen im Vergleich mit der unbehandelten Referenz.

Bei im fettgeschmierten, reversierenden Linienkontakt durchgeführten tribologischen Modelluntersuchungen in Paarung mit 100Cr6-Zylindern erwiesen sich die Schmelzaufwürfe auf den unter Laboratmosphäre texturierten Ti6Al4V-Oberflächen für Packungsdichten von mindestens 5% als sehr günstig. Im Vergleich zur Gleitpaarung ohne Lasertexturen konnte der ausgeprägte adhäsive Verschleiß zu Versuchsbeginn und die damit einhergehende hohe Reibung während des Einlaufens vermieden werden (Abbildung 2). Für die texturierten Oberflächen wurde lediglich an den Schmelzaufwürfen ein minimaler Verschleiß festgestellt (Abbildung 1, Mitte), so dass das Verschleißvolumen um einen Faktor von etwa 15 unter dem der unbehandelten Oberfläche (Abbildung 1, rechts) lag. Wurden die Schmelzaufwürfe vor den tribologischen Versuchen entfernt oder erfolgte die Laserbearbeitung unter Argon-Atmosphäre, konnte keine Verbesserung des Reibungs- und Verschleißverhaltens beobachtet werden.

Mit Hilfe ergänzender elektronenmikroskopischer und mikroanalytischer Untersuchungen sowie von Mikrohärteprüfungen konnte gezeigt werden, dass die Verbesserung im tribologischen Verhalten nicht auf topographische Effekte durch die Texturierung, sondern vielmehr auf chemische und mikrostrukturelle Veränderungen innerhalb der Schmelzaufwürfe zurückgeführt werden kann.

Sehr vielversprechend erscheint ein auf Basis dieser Forschungsarbeiten entwickelter zweistufiger Laserprozess zur vollflächigen Modifizierung tribologischer Wirkflächen, da hierdurch im Hinblick auf zyklische Beanspruchungen eine Kerbwirkung durch einzelne Texturelemente vermieden werden kann.

Publikation in Wear: https://doi.org/10.1016/j.wear.2019.01.079

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