DE19520149B4 - Apparatus for manufacturing, method for producing and using a coating on a component - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung zur Herstellung einer Beschichtung auf einem Bauteil, welches als Substrat mit seiner Substratoberfläche an mindestens zwei Seiten durch zumindest eine glattwandige Kokille eine Wirkzone begrenzt und eine Zusatzwerkstoffzufuhr aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Laserstrahl innerhalb der Wirkzone relativ zum Substrat beweglich auf die Substratoberfläche fokussiert ist.Apparatus for producing a coating on a component, which delimits an effective zone as substrate with its substrate surface on at least two sides by at least one smooth-walled mold and has an additional material supply, characterized in that at least one laser beam within the effective zone focuses on the substrate surface in a movable manner relative to the substrate is.

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Figure 00000001

Description

Der Werkstoff eines Bauteils unterliegt an seiner Oberfläche anderen Beeinflussungen als im Volumen, da es hier zu Korrosion, Verschleiss und Ermüdung kommen kann. Aus diesem Grunde werden Werkstoffe als Gradientenwerkstoffe aufgebaut oder an ihrer Oberfläche thermisch, chemisch oder mechanisch verändert bzw. mit einem Beschichtungswerkstoff beschichtet. Die Höhe von Beschichtungen variieren in der Literatur anwendungsbedingt von einigen Atomlagen, z. B. bei PVD-Schichten, bis zu mehrere Zentimeter hohen Auftragschweissungen.Of the Material of a component is subject to other on its surface Influences as in volume, as it causes corrosion, wear and fatigue can come. For this reason, materials are used as gradient materials built or on its surface thermally, chemically or mechanically modified or with a coating material coated. The height of coatings vary in the literature due to application of some atomic layers, z. As in PVD layers, up to several centimeters high buildup welds.

Nach der DE4139421A1 wird eine Substratoberfläche mit einer Sinterschicht überzogen. Dazu wird ein pulverförmiges Ausgangsmaterial in einen aus einem Werkzeug gebildeten Laderaum eingefüllt, durch Erwärmen gesintert und abschliessend mechanisch bearbeitet.After DE4139421A1 a substrate surface is coated with a sintered layer. For this purpose, a powdered starting material is introduced into a cargo space formed from a tool, sintered by heating and finally machined mechanically.

Nach der DE839415B ist ein Verfahren zur Herstellung von mit Hartmetallzähnen bestückten Werkzeugen bekannt, bei dem eine Hohlform am Werkzeugkörper angebracht, mit Hartstoff und Lot gefüllt und erhitzt wird. Die Lotmenge wird dabei so berechnet, dass ein Verputzen nicht notwendig ist, sondern die Bohrkrone nach Beseitigung der die Hohlform bildenden Teile sofort einsatzfertig ist.After DE839415B is a method for producing equipped with carbide teeth tools known in which a mold is attached to the tool body, filled with hard material and solder and heated. The amount of solder is calculated so that a plastering is not necessary, but the drill bit after removal of the mold forming parts is ready for use immediately.

Nach der DE3843647A1 wird in einem thermischen Beschichtungsverfahren mittels einer Beschichtungsvorrichtung ein Hartstoff auf die Zähne eines Schneidwerkzeuges aufgebracht, wobei der Hartstoff mittels eines relativ zum Zahn bewegten Gas- oder Plasmastrahls aufgeschmolzen und in einen den zu beschichtenden Zahn umschliessenden Formhohlraum getropft wird. Zur Beseitigung der von dem auftreffenden Gas- oder Plasmastrahl verursachten Oberflächenverformung wird die Hartstoffschicht mit einem Stempel nachgeformt.After DE3843647A1 In a thermal coating method, a hard material is applied to the teeth of a cutting tool by means of a coating device, wherein the hard material is melted by means of a gas or plasma jet moved relative to the tooth and dripped into a mold cavity enclosing the tooth to be coated. To eliminate the surface deformation caused by the impacting gas or plasma jet, the hard material layer is reshaped with a stamp.

Die vorgeschlagene Vorrichtung zur Herstellung, das Verfahren zur Herstellung und die Verwendung einer Beschichtung betreffen das thermische Beschichten eines Trägerwerkstoffes (Substrat), welches für die Herstellung von verschleiss und/oder korrosionsfesten Schichten vorteilhaft genutzt werden kann. Diese lassen sich vorteilhaft zur Herstellung von thermischen Beschichtungen im Millimeterbereich (0,1–5 mm) nutzen. Bei dem Beschichtungsverfahren wird, wie dies beim Laserstrahlbeschichten üblich ist, die Laserstrahlung mit einer geeigneten Intensität von 103–106 W/cm2 auf die Substratoberfläche fokussiert und ein geeigneter Zusatzwerkstoff der Wirkzone zugeführt. Durch Relativbewegung zwischen Substrat einerseits sowie Laserstrahlung und Zuführung andererseits lassen sich durch Aufschmelzen des Zusatzwerkstoffes und/oder des Substrates Beschichtungsbahnen erzeugen, durch deren Aneinanderreihung flächenhafte Beschichtungen entstehen. Durch den Schmelzvorgang nimmt die flüssige Oberfläche entsprechend den angreifenden Kräften (der Schwerkraft und der temperaturabhängigen Oberflächenspannung sowie gegebenenfalls weiterer Kräfte, wie z. B. die Fliehkraft) eine charakteristische Querschnittsgestalt an. Die so auf natürliche Weise entstehende Geometrie der Querschnittsfläche entspricht nur selten der Geometrie, die anwendungsspezifisch gefordert wird, so dass zum Teil eine erhebliche Nacharbeit notwendig wird.The proposed device for the production, the method for the production and the use of a coating relate to the thermal coating of a carrier material (substrate), which can be advantageously used for the production of wear and / or corrosion-resistant layers. These can be used advantageously for the production of thermal coatings in the millimeter range (0.1-5 mm). In the coating method, as is customary in laser beam coating, the laser radiation with a suitable intensity of 10 3 -10 6 W / cm 2 focused on the substrate surface and fed a suitable filler material of the active zone. By relative movement between the substrate on the one hand and laser radiation and supply on the other hand can be produced by melting the filler material and / or the substrate coating webs, by their juxtaposition surface coatings arise. As a result of the melting process, the liquid surface assumes a characteristic cross-sectional shape in accordance with the forces acting on it (the force of gravity and the temperature-dependent surface tension and optionally other forces, such as, for example, the centrifugal force). The resulting geometry of the cross-sectional area in a natural way seldom corresponds to the geometry that is required in an application-specific manner, so that considerable rework is sometimes necessary.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Realisierung einer Beschichtungsvorrichtung und eines Beschichtungsverfahrens zur Herstellung glattwandiger, endkonturnaher Oberflächen. Die Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen 1 und 10 angegebenen Merkmale gelöst.The The object of the invention is the realization of a coating device and a coating process for producing smooth-walled, Near-net-like surfaces. The object is achieved by the features specified in the claims 1 and 10 solved.

Bei erfindungsgemäßer Anwendung des vorgeschlagenen Verfahrens und der vorgeschlagenen Vorrichtung kann vorteilhaft auf eine Nacharbeit weitestgehend verzichtet werden. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Schmelze in ihrer geometrischen Ausbildung durch Unterstützung in zwei bis vier Richtungen behindert wird. Diese Behinderung erfolgt in einer Richtung durch das Substrat selbst und in einer bis drei weiteren Richtungen durch eine glattwandige Kokille. Aus einer und/oder zwei der verbleibenden Richtungen kann dann die zum Schmelzen notwendige Laserstrahlung und der Zusatzwerkstoff zugeführt werden. Dabei entstehen Beschichtungen, die an den unterstützten Seiten glattwandig und endkonturnah sind.at inventive use the proposed method and the proposed device can advantageously be largely dispensed with a rework. According to the invention this is achieved in that the Melt in their geometric formation by assisting in two until four directions are obstructed. This disability occurs in one direction through the substrate itself and in one to three others Directions through a smooth-walled mold. From one and / or two of the remaining directions can then be necessary for melting Laser radiation and the filler material are supplied. Thereby arise Coatings smooth-walled on the supported sides and are near-net shape.

Dort, wo es die Bauteilgeometrie erlaubt, kann man bei erfindungsgemäßem Handeln unter Ausnutzung der sogenannten Wannenlage besonders vorteilhaft beschichten (Beispiel 2). Gute Schichtqualitäten sowie eine ausreichend Haftung zum Substrat erhält man bei erfindungsgemäßem Handeln dann, wenn die Breite der Beschichtung so gewählt wird, daß das Verhältnis aus Höhe zu Breite zwischen 1:20 und 5:1 liegt, vorzugsweise jedoch zwischen 1:2 und 2:1.There, where the component geometry allows, one can act according to the invention taking advantage of the so-called tub position particularly advantageous coat (Example 2). Good layer qualities as well as sufficient Adherence to the substrate is obtained one with inventive action then, when the width of the coating is chosen so that the ratio of Height too Width is between 1:20 and 5: 1, but preferably between 1: 2 and 2: 1.

Für viele Anwendungen, z. B. bei der Beschichtung von Sägeblättern, Leisten etc., bei denen über die gesamte Breite des Bauteils auf einmal die Beschichtung aufgebracht werden soll, kann dies erfindungsgemäß dadurch gelöst werden, daß die Schmelze senkrecht zur Vorschubrichtung gestützt wird und in der Lotrechten sowie in Vorschubrichtung eine Unterstützung unterbleibt (Beispiel 1 und 2). Bei anderen Bauteilgeometrien ist es möglich, die Kokille relativ zum Substrat zu bewegen. Dabei ist es erfindungsgemäß unerheblich, ob das Substrat feststeht und die Kokille bewegt wird oder umgekehrt. Insbesondere bei bewegter Kokille kann es vorteilhaft sein, die Kokille nicht einteilig auszuführen sondern eine geteilte Kokille zu verwenden (Beispiel 3). Dies ist erfindungsgemäß dann vorteilhaft, wenn lediglich ein Teil der Kokille gegenüber dem Substrat verschoben wird, während ein anderer Teil fest mit dem Substrat verbunden ist. Bei erfindungsgemäßem Handeln lassen sich vorteilhaft Beschichtungshöhen und -breiten erzeugen, die eine Abweichung von der Sollgröße um weniger als 10 Prozent, vorzugsweise 1 Prozent aufweisen.For many applications, eg. As in the coating of saw blades, strips, etc., where over the entire width of the component at once the coating should be applied, this can be achieved according to the invention that the melt is supported perpendicular to the feed direction and in the vertical and in the feed direction a support is omitted (example 1 and 2). For other component geometries, it is possible to move the mold relative to the substrate. It is irrelevant according to the invention, whether the substrate is fixed and the mold is moved or vice versa. Especially with moving mold it may be advantageous not to use the mold in one piece but to use a split mold (Example 3). This is advantageous according to the invention if only part of the mold is displaced relative to the substrate, while another part is firmly connected to the substrate. When acting according to the invention, coating heights and widths can advantageously be produced which have a deviation from the desired size of less than 10 percent, preferably 1 percent.

Um eine Auflegieren des Kokillenwerkstoffes durch den Zusatzwerkstoff und/oder den Substratwerkstoff zu verhindern, kann es erfindungsgemäß notwendig sein, die Kokille insbesondere an den Flächen, die mit der Schmelze in Kontakt treten, mit einem Trennmittel zu beschichten.Around an alloying of the mold material by the filler material and / or to prevent the substrate material, it may according to the invention necessary be, the mold especially on the surfaces that melt with contact, to coat with a release agent.

Je nach Substrat- und Zusatzwerkstoff sowie abhängig von der zugeführten Energie der Laserstrahlung wird sich das Erstarrungsverhalten der erstarrenden Schmelze anders ausbilden. Dieser Tatsache kann man erfindungsgemäß dadurch begegnen, daß eine externe Kühlung und/oder Heizung der Kokille vorgesehen wird. Auf diese Weise kann man vorteilhaft die Wärme des thermischen Beschichtungsprozesses entweder bevorzugt über die Kokille (Kühlung) oder über das Substrat (Heizung der Kokille) abführen. Eine Abführung der Wärme über die Kokille verringert die thermischen Verzüge, eine Abfuhr über das Substrat verbessert die Haftfestigkeit zwischen Substrat und Beschichtung.ever after substrate and filler material as well as depending on the supplied energy The laser radiation will become the solidification behavior of the solidifying Form melt differently. This fact can be inventively characterized encounter that one external cooling and / or heating of the mold is provided. This way you can you favor the heat the thermal coating process, preferably over the Mold (cooling) or over remove the substrate (heating of the mold). A discharge of the Heat over the Mold reduces the thermal distortion, a drain on the Substrate improves adhesion between substrate and coating.

Bei einstufiger Beschichtung und bei Zuführen des Zusatzwerkstoffes in Pulver-, Draht-, oder Pastenform kann man erfindungsgemäß den Wirkungsgrad, mit dem der Zusatzwerkstoff aufgebracht wird, dadurch erhöhen, daß die Zuführeinrichtung für den Zusatzwerkstoff durch die Kokille geometrisch geführt wird. Vorteilhaft ist dabei, daß sich Wirkungsgrade von 80 Prozent, vorzugsweise mehr als 95 Prozent erreichen lassen. Technisch lassen sich das vorgeschlagene Verfahren und die vorgeschlagene Vorrichtung zur Herstellung von Verschleiß- und Korrosionsschutzschichten nutzen.at one-step coating and feeding the filler material in powder, wire or paste form, according to the invention, the efficiency, with which the filler material is applied, thereby increasing that the feeder for the Additional material is guided geometrically by the mold. It is advantageous that Achieve efficiencies of 80 percent, preferably more than 95 percent to let. Technically, the proposed method and the proposed device for the production of wear and corrosion protection layers use.

Eine weitere Anwendung zielt darauf ab, Formteile zu erzeugen, wobei auf einem Substrat die Außenkontur des späteren Formteils durch sukzessives Legen von Einzelspuren erzeugt wird (Beispiel 4). Der Kern des Formteils kann in einem zweiten Schritt durch gleichen oder fremden Werkstoff aufgefüllt werden. Dies hat den technischen Vorteil, daß es möglich ist, Erstteile aus Metall mit hoher Dichte herzustellen, ohne daß hierzu eine Form notwendig ist (rapid prototyping). Bei erfindungsgemäßem Handeln ergibt sich darüber hinaus der Vorteil, daß Formteile aus nicht gießbaren Werkstoffen herstellbar sind. Hierunter fallen solche Werkstoffe, bei denen eine Komponente nicht aufschmelzen darf, oder solche, bei denen es zu einer Reaktion zwischen den Komponenten des Werkstoffs kommt.A further application aims to produce moldings, wherein on a substrate the outer contour later Form part is produced by successive laying of individual tracks (Example 4). The core of the molding can in a second step be filled by the same or foreign material. This has the technical Advantage that it is possible Manufacture first parts of metal with high density, without this a form is necessary (rapid prototyping). When acting according to the invention results from it In addition, the advantage that molded parts made of non-pourable Materials are produced. This includes such materials, where a component must not melt, or such where there is a reaction between the components of the material comes.

Ausführungsbeispieleembodiments

Beispiel 1: Stützung der Schmelze senkrecht zur Vorschubrichtung und in der Lotrechten am Beispiel eines rotationssymmetrischen Bauteils (1 und 2).Example 1 Support of the Melt perpendicular to the Feed Direction and in the Lane on the Example of a Rotationally Symmetric Component ( 1 and 2 ).

Die 1 und 2 zeigen die Beschichtung eines rotationssymmetrischen Bauteils, hier eines Sägeblattes, wobei die Schmelze senkrecht zur Vorschubgeschwindigkeit, die zwischen 0,1 und 1 m/min liegen kann, von einer glattwandigen Kokille und in der Lotrechten vom Bauteil selbst gestützt ist. Ein gepulster Nd:YAG-Laser (Pulsfolgefrequenz: 200 bis 250 Hz, Pulsleistung: 5 bis 7 kW, Pulslänge: 0,7 bis 1 ms) wird mit einer mittleren Ausgangsleistung von 1 bis 1,2 kW und einem Brennfleckdurchmesser von ca. 4 mm (runder Brennfleck, Leistungsdichte: 5·103 bis 1·104 W/cm2) auf das ca. 1 bis 3 mm breite Substrat geführt. Simultan erfolgt eine pneumatische Zuführung von pulverförmigem Zusatzwerkstoff mit einer Massenrate von 0,1 bis 0,5 g/s, wobei als Fördergas Argon mit einer Durchflußmenge von 4 l/min verwendet wird. Der Zusatzwerkstoff besteht aus einer Bronze (hier CuSn 20), der hier Hartstoffe mit einem Anteil bis 20 Volumenprozent zugesetzt wurde. Im Falle einer reinen Bronzebeschichtung schmilzt der Beschichtungswerkstoff in der Wirkzone des Laserstrahls auf und bildet eine festhaftende, endkonturnahe Schicht auf dem Substrat. Im Falle von hartstoffhaltigen Zusatzwerkstoffen sind die Hartstoffe unaufgeschmolzen bzw. unzerstört und gleichmäßig verteilt in der Bronzematrix verteilt. Durch die Führung der Zusatzwerkstoffzufuhr (Pulverdüse) und des geförderten Zusatzwerkstoffes (Pulverstrahl) ergeben sich Beschichtungswirkungsgrade über 80 Prozent. Die Beschichtungshöhe erreicht je nach Kombination von Pulvermassenrate und Vorschubgeschwindigkeit zwischen 0,1 und 5 mm. Es entstehen dadurch Höhe zu Breite Verhältnisse zwischen 1:20 bis 5:1. Durch die glattwandige Kokille ergeben sich Konturabweichungen, die weniger als 3 Prozent der Beschichtungshöhe betragen. Die entstandene Schicht stellt im oben genannten Sinne eine verschleißfeste Schicht dar.The 1 and 2 show the coating of a rotationally symmetrical component, here a saw blade, wherein the melt perpendicular to the feed rate, which may be between 0.1 and 1 m / min, is supported by a smooth-walled mold and in the vertical of the component itself. A pulsed Nd: YAG laser (pulse repetition frequency: 200 to 250 Hz, pulse power: 5 to 7 kW, pulse length: 0.7 to 1 ms) with an average output power of 1 to 1.2 kW and a focal spot diameter of about 4 mm (round focal spot, power density: 5 × 10 3 to 1 × 10 4 W / cm 2 ) led to the about 1 to 3 mm wide substrate. Simultaneously, a pneumatic supply of powdery filler material at a mass rate of 0.1 to 0.5 g / s, wherein argon is used as a conveying gas with a flow rate of 4 l / min. The filler material consists of a bronze (in this case CuSn 20), to which hard substances with a proportion of up to 20% by volume were added. In the case of a pure bronze coating, the coating material melts in the zone of action of the laser beam and forms a firmly adhering, near-net shape layer on the substrate. In the case of hard material-containing filler materials, the hard materials are unmelted or undisturbed and distributed evenly distributed in the bronze matrix. Due to the guidance of the additional material supply (powder nozzle) and the subsidized additional material (powder jet), coating efficiencies of more than 80 percent result. The coating height reaches between 0.1 and 5 mm, depending on the combination of powder mass rate and feed rate. This results in height to width ratios between 1:20 to 5: 1. The smooth-walled mold results in contour deviations that amount to less than 3 percent of the coating height. The resulting layer is a wear-resistant layer in the above sense.

Beispiel 2: Stützung der Schmelze senkrecht zur Vorschubrichtung und in der Lotrechten am Beispiel eines ebenen BauteilsExample 2: Supporting the melt vertically to the feed direction and in the vertical, using the example of a plane component

Die 3, 4 und 5 zeigen die Beschichtung eines ebenen Bauteils, hier eine Leiste, wobei die Schmelze senkrecht zur Vorschubgeschwindigkeit, die zwischen 0,1 und 1 m/min liegen kann, von einer glattwandigen Kokille und in der Lotrechten vom Bauteil selbst gestützt ist. Ein gepulster Nd:YAG-Laser (Pulsfolgefrequenz: 200 bis 250 Hz, Pulsleistung: 5 bis 7 kW, Pulslänge: 0,7 bis 1 ms) wird mit einer mittleren Ausgangsleistung von 1 bis 1,2 kW und einem Brennfleckdurchmesser von ca. 4 mm (runder Brennfleck, Leistungsdichte: 5·103 bis 1·104 W/cm2) auf das ca. 1 bis 3 mm breite Substrat geführt. Simultan erfolgt eine pneumatische Zuführung von pulverförmigem Zusatzwerkstoff mit einer Massenrate von 0,1 bis 0,5 g/s, wobei als Fördergas Argon mit einer Durchflußmenge von 4 l/min verwendet wird. Der Zusatzwerkstoff besteht aus einer Bronze (hier CuSn 20), der hier Hartstoffe mit einem Anteil von 12,5 Volumenprozent zugesetzt wurde. Im Falle einer reinen Bronzebeschichtung schmilzt der Beschichtungswerkstoff in der Wirkzone des Laserstrahls auf und bildet eine festhaftende, endkonturnahe Schicht auf dem Substrat. Im Falle von hartstoffhaltigen Zusatzwerkstoffen sind die Hartstoffe unaufgeschmolzen bzw. unzerstört und gleichmäßig verteilt in der Bronzematrix verteilt. Durch die Führung der Zusatzwerkstoffzufuhr (Pulverdüse) und des geförderten Zusatzwerkstoffes (Pulverstrahl) ergeben sich Beschichtungswirkungsgrade über 80 Prozent. Die Beschichtungshöhe erreicht je nach Kombination von Pulvermassenrate und Vorschubgeschwindigkeit zwischen 0,1 und 5 mm. Es entstehen dadurch Höhe zu Breite Verhältnisse zwischen 1:20 bis 5:1. Durch die glattwandige Kokille ergeben sich Konturabweichungen, die weniger als 1 Prozent der Beschichtungshöhe betragen. Die entstandene Schicht stellt im oben genannten Sinne eine verschleißfeste Schicht dar.The 3 . 4 and 5 show the coating of a planar member, here a bar, wherein the melt perpendicular to the feed rate, which can be between 0.1 and 1 m / min, is supported by a smooth-walled mold and in the vertical of the component itself. A pulsed Nd: YAG laser (pulse repetition frequency: 200 to 250 Hz, Pulse power: 5 to 7 kW, pulse length: 0.7 to 1 ms) with an average output power of 1 to 1.2 kW and a focal spot diameter of about 4 mm (round focal spot, power density: 5 × 10 3 to 1 × 10 4 W / cm 2 ) on the approximately 1 to 3 mm wide substrate. Simultaneously, a pneumatic supply of powdery filler material at a mass rate of 0.1 to 0.5 g / s, wherein argon is used as a conveying gas with a flow rate of 4 l / min. The additional material consists of a bronze (in this case CuSn 20), to which hard materials with a proportion of 12.5 volume percent were added. In the case of a pure bronze coating, the coating material melts in the zone of action of the laser beam and forms a firmly adhering, near-net shape layer on the substrate. In the case of hard material-containing filler materials, the hard materials are unmelted or undisturbed and distributed evenly distributed in the bronze matrix. Due to the guidance of the additional material supply (powder nozzle) and the subsidized additional material (powder jet), coating efficiencies of more than 80 percent result. The coating height reaches between 0.1 and 5 mm, depending on the combination of powder mass rate and feed rate. This results in height to width ratios between 1:20 to 5: 1. The smooth-walled mold results in contour deviations that amount to less than 1 percent of the coating height. The resulting layer is a wear-resistant layer in the above sense.

Beispiel 3: Stützung der Schmelze mit einer geteilten Kokille am Beispiel eines ebenen BauteilsExample 3: Support of the melt with a divided mold on the example of a planar component

Die 6 und 7 zeigen die Beschichtung eines ebenen Bauteils, hier eine Leiste, wobei die Schmelze mit einer geteilten Kokille gestützt wird. Senkrecht zur Vorschubgeschwindigkeit, die zwischen 0,1 und 1 m/min liegen kann, wird die Schmelze von einem glattwandigen ersten Kokillenteil und in der Lotrechten vom Bauteil selbst gestützt ist. Senkrecht zum ersten Kokillenteil stützt der zweite Teil der glattwandigen Kokille die Schmelze an der Oberseite, wodurch in einer weiteren Richtung die Endkontur erreicht wird. Während der erste Kokillenteil, der die Schmelze abstützt, mit dem Substrat fest verbunden ist, ist der zweite Kokillenteil mit dem Laser und der Zusatzwerkstoffzufuhr (Pulverdüse) verbunden. Ein gepulster Nd:YAG-Laser (Pulsfolgefrequenz: 200 bis 250 Hz, Pulsleistung: 5 bis 7 kW, Pulslänge: 0,7 bis 1 ms) wird mit einer mittleren Ausgangsleistung von 1 bis 1,2 kW und einem Brennfleckdurchmesser von ca. 4 mm (runder Brennfleck, Leistungsdichte: 5·103 bis 1·104 W/cm2) auf das ca. 1 bis 3 mm breite Substrat geführt. Simultan erfolgt eine pneumatische Zuführung von pulverförmigem Zusatzwerkstoff mit einer Massenrate von 0,1 bis 0,5 g/s, wobei als Fördergas Argon mit einer Durchflußmenge von 4 l/min verwendet wird. Der Zusatzwerkstoff besteht aus einer Bronze (hier CuSn 20), der Hartstoffe mit einem Anteil von 12,5 Volumenprozent zugesetzt wurde. Im Falle einer reinen Bronzebeschichtung schmilzt der Beschichtungswerkstoff in der Wirkzone des Laserstrahls auf und bildet eine festhaftende, endkonturnahe Schicht auf dem Substrat. Im Falle von hartstoffhaltigen Zusatzwerkstoffen sind die Hartstoffe unaufgeschmolzen bzw. unzerstört und gleichmäßig verteilt in der Bronzematrix verteilt. Durch die Führung der Zusatzwerkstoffzufuhr (Pulverdüse) und des geförderten Zusatzwerkstoffes (Pulverstrahl) ergeben sich Beschichtungswirkungsgrade über 80 Prozent. Die Beschichtungshöhe erreicht je nach Kombination von Pulvermassenrate und Vorschubgeschwindigkeit zwischen 0,1 und 5 mm. Es entstehen dadurch Höhe zu Breite Verhältnisse zwischen 1:20 bis 5:1. Durch die glattwandige Kokille ergeben sich Konturabweichungen, die weniger als 1 Prozent der Beschichtungshöhe betragen. Die entstandene Schicht stellt im oben genannten Sinne eine verschleißfeste Schicht dar.The 6 and 7 show the coating of a planar component, here a strip, wherein the melt is supported with a split mold. Perpendicular to the feed rate, which may be between 0.1 and 1 m / min, the melt is supported by a smooth-walled first mold part and in the vertical of the part itself. Perpendicular to the first mold part, the second part of the smooth-walled mold supports the melt on the upper side, whereby the final contour is achieved in another direction. While the first mold part, which supports the melt, is fixedly connected to the substrate, the second mold part is connected to the laser and the filler feed (powder nozzle). A pulsed Nd: YAG laser (pulse repetition frequency: 200 to 250 Hz, pulse power: 5 to 7 kW, pulse length: 0.7 to 1 ms) with an average output power of 1 to 1.2 kW and a focal spot diameter of about 4 mm (round focal spot, power density: 5 × 10 3 to 1 × 10 4 W / cm 2 ) led to the about 1 to 3 mm wide substrate. Simultaneously, a pneumatic supply of powdery filler material at a mass rate of 0.1 to 0.5 g / s, wherein argon is used as a conveying gas with a flow rate of 4 l / min. The additional material consists of a bronze (here CuSn 20), to which hard substances with a share of 12.5 volume percent was added. In the case of a pure bronze coating, the coating material melts in the zone of action of the laser beam and forms a firmly adhering, near-net shape layer on the substrate. In the case of hard material-containing filler materials, the hard materials are unmelted or undisturbed and distributed evenly distributed in the bronze matrix. Due to the guidance of the additional material supply (powder nozzle) and the subsidized additional material (powder jet), coating efficiencies of more than 80 percent result. The coating height reaches between 0.1 and 5 mm, depending on the combination of powder mass rate and feed rate. This results in height to width ratios between 1:20 to 5: 1. The smooth-walled mold results in contour deviations that amount to less than 1 percent of the coating height. The resulting layer is a wear-resistant layer in the above sense.

Beispiel 4: Stützung der Schmelze zur Herstellung von FormteilenExample 4: Support of the melt for the production of moldings

Die 8, 9 und 10 zeigen die Herstellung von Formteilen, wobei eine Kokille, die fest mit dem Laserstrahl und der Zusatzwerkstoffzufuhr (Pulverdüse) verbunden ist, die Schmelze stützt. Durch Verfahren von Laserstrahl, Zusatzwerkstoffzufuhr und Kokille in der x-y-Ebene entsteht eine Spur. Durch mehrmaliges Übereinanderlegen von Spuren mit einer Geschwindigkeit von 0,1 bis 1 m/min entsteht ein Formteil. Ein gepulster Nd:YAG-Laser (Pulsfolgefrequenz: 200 bis 250 Hz, Pulsleistung: 5 bis 7 kW, Pulslänge: 0,7 bis 1 ms) wird mit einer mittleren Ausgangsleistung von 1 bis 1,2 kW und einem Brennfleckdurchmesser von ca. 4 mm (runder Brennfleck, Leistungsdichte: 5·103 bis 1·104 W/cm2) auf das Substrat geführt. Der Abstand der beiden Kokillenteile beträgt 1 bis 3 mm. Simultan erfolgt eine pneumatische Zuführung von pulverförmigem Zusatzwerkstoff mit einer Massenrate von 0,1 bis 0,5 g/s, wobei als Fördergas Argon mit einer Durchflußmenge von 4 l/min verwendet wird. Der Zusatzwerkstoff besteht aus einer Bronze (hier CuAl 10) oder anderen mit dem Laserstrahl schmelzbaren Werkstoffen. Der Beschichtungswerkstoff schmilzt in der Wirkzone des Laserstrahls auf und bildet ein in 5 Richtungen freistehendes, endkonturnahes Formteil, das in der 6. Richtung am Substrat haftet. Durch die Führung der Zusatzwerkstoffzufuhr (Pulverdüse) und des geförderten Zusatzwerkstoffes (Pulverstrahles) ergeben sich Beschichtungswirkungsgrade über 80 Prozent. Das Verhältnis von Beschichtungshöhe zu -breite muß ca. 1:10 betragen, um eine endkonturnahe Kontur zu erreichen.The 8th . 9 and 10 show the production of moldings, wherein a mold, which is firmly connected to the laser beam and the filler inlet (powder nozzle), supports the melt. By moving the laser beam, additional material supply and mold in the xy plane, a trace is created. By repeatedly stacking tracks at a speed of 0.1 to 1 m / min, a molded part is formed. A pulsed Nd: YAG laser (pulse repetition frequency: 200 to 250 Hz, pulse power: 5 to 7 kW, pulse length: 0.7 to 1 ms) with an average output power of 1 to 1.2 kW and a focal spot diameter of about 4 mm (round focal spot, power density: 5 × 10 3 to 1 × 10 4 W / cm 2 ) guided on the substrate. The distance between the two mold parts is 1 to 3 mm. Simultaneously, a pneumatic supply of powdery filler material at a mass rate of 0.1 to 0.5 g / s, wherein argon is used as a conveying gas with a flow rate of 4 l / min. The additional material consists of a bronze (here CuAl 10) or other meltable with the laser beam materials. The coating material melts in the zone of action of the laser beam and forms a free-standing in 5 directions, near-net shape molding, which adheres to the substrate in the 6th direction. Due to the guidance of the additional material supply (powder nozzle) and the subsidized filler material (powder jet), coating efficiencies of more than 80 percent result. The ratio of coating height to width must be about 1:10 in order to achieve a contour close to the final contour.

Claims (14)

Vorrichtung zur Herstellung einer Beschichtung auf einem Bauteil, welches als Substrat mit seiner Substratoberfläche an mindestens zwei Seiten durch zumindest eine glattwandige Kokille eine Wirkzone begrenzt und eine Zusatzwerkstoffzufuhr aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Laserstrahl innerhalb der Wirkzone relativ zum Substrat beweglich auf die Substratoberfläche fokussiert ist.Apparatus for producing a coating on a component, which delimits an effective zone as substrate with its substrate surface on at least two sides by at least one smooth-walled mold and has an additional material supply, characterized in that at least one laser beam within the effective zone focuses on the substrate surface in a movable manner relative to the substrate is. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratoberfläche in der Lotrechten orientiert ist.Device according to claim 1, characterized in that that the substrate surface is oriented in the vertical. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirkzone in Vorschubrichtung offen ist.Device according to one of claims 1 or 2, characterized that the active zone is open in the feed direction. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kokille in Kokillenteile geteilt ist.Device according to one of claims 1 to 3, characterized that the mold is divided into mold parts. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Kokillenteil parallel zu einer Vorschubrichtung verläuft.Device according to claim 4, characterized in that that at least one mold part parallel to a feed direction runs. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Kokille oder ein Kokillenteil dem Laserstrahl und der Zusatzwerkstoffzufuhr raumfest zugeordnet ist.Device according to one of claims 1 to 5, characterized that at least one mold or a Kokillenenteil the laser beam and the additional material supply is allocated spatially fixed. Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung auf einem Bauteil, das in einem ersten Schritt mit seiner Substratoberfläche an mindestens zwei Seiten durch zumindest eine glattwandige Kokille zu einer Wirkzone begrenzt wird, der in einem zweiten Schritt ein Zusatzwerkstoff zugefügt, in einem dritten Schritt aufgeschmolzen wird und in einem vierten Schritt zu einer Beschichtung auf dem Substrat erstarrt, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufschmelzen im dritten Schritt durch zumindest einen innerhalb der Wirkzone auf die Substratoberfläche fokussierten und relativ zum Substrat bewegten Laserstrahl erfolgt.Process for the preparation of a coating a component, which in a first step with its substrate surface at least two sides through at least one smooth-walled mold to an active zone is limited, in a second step, a filler material added is melted in a third step and in a fourth Step to a coating on the substrate solidifies, characterized characterized in that the melting in the third step by at least one within the effective zone focused on the substrate surface and takes place relative to the substrate moving laser beam. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kokille gekühlt oder geheizt wird.Method according to claim 7, characterized in that that the mold cooled or heated. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzwerkstoff in Pulverform zugeführt wird.Method according to claim 7 or 8, characterized that the filler material is supplied in powder form. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis einer Beschichtungshöhe zu einer Beschichtungsbreite im Bereich 1:20 bis 5:1, optional im Bereich 1:2 bis 2:1 liegt.Method according to one of claims 7 to 9, characterized that the ratio a coating height to a coating width in the range of 1:20 to 5: 1, optionally in Range 1: 2 to 2: 1. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungshöhe im Bereich zwischen 0,1 und 5 Millimetern liegt sowie eine maximale Konturabweichung weniger als 10%, optional weniger als 1%, der Beschichtungshöhe beträgt.Method according to claim 10, characterized in that that the coating height in the range between 0.1 and 5 millimeters and a maximum Contour deviation less than 10%, optionally less than 1%, of the coating height. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kokille mit einem Trennmittel beschichtet wird.Method according to one of claims 7 to 11, characterized that the mold is coated with a release agent. Verwendung einer mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12 hergestellten Beschichtung als eine Verschleiss- und/oder Korrosionsschutzschicht.Use of a method according to one the claims 7 to 12 produced coating as a wear and / or Corrosion protection layer. Verwendung einer mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12 hergestellten Beschichtung zur Herstellung eines Formteils, indem in einem fünften Schritt von der Beschichtung das Substrat entfernt wird.Use of a method according to one the claims 7 to 12 produced coating for the production of a molding, in a fifth Step from the coating the substrate is removed.
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