Laser nitriding of metals:Influences of the ambient pressure and the pulse duration

Abstract

Das Lasernitrieren von Metallen wie z.B. Eisen, Edelstahl, Aluminium oder Titan, ist ein sowohl für die Physik als auch für die Industrie interessanter Prozess. In einer zeitlichen Größenordnung von hunderten von Nanosekunden wandelt die hochintensive gepulste Laserstrahlung ( I ~ 108 W/cm2 ) in Stickstoffatmosphäre die Oberfläche von Metallen um in mikrometerdicke Metallnitridschichten, die die mechanischen Oberflächeneigenschaften des Metalls erheblich verbessern. Da die Laser-Plasma-Dynamik und die auftreffenden Laserpulse die Effizienz des Lasernitrierens entscheidend bestimmen, konzentrieren sich die Experimente auf den Einfluss des umgebenden Stickstoffdrucks und die Dauer des Laserpulses auf das Lasernitrieren. Es wurde herausgefunden, dass bei einem Anstieg des Stickstoffdrucks von 0.05 bar auf 2 bar die Nitriereffizienz schnell ansteigt und dann bis 10 bar nahezu konstant bleibt. Der optimale Stickstoffdruck liegt zwischen 2 und 3 bar. Die Reihe ! von Experimenten bei unterschiedlichen Stickstoffdrücken zeigte deutlich den Übergang von der Laser-Ablation hin zu einem durch Stickstoffeindiffusion dominierten System. Auf der Grundlage des Laser-Absorptionswellen-Modells werden die charakteristischen Parameter des Stickstoffprofils extrahiert und qualitativ interpretiert. Die Untersuchungen zum Einfluss der Pulsdauer auf das Lasernitrieren mit Nanosekunden (ns) Excimer-Lasern und Nd-YAG-Lasern, pikosekunden (ps) Freie-Elektronen-Lasern und femtosekunden (fs) Ti:Saphir-Lasern haben gezeigt, dass der ns-Laser dem ps- oder fs-Laser überlegen ist. Die Stickstoffdiffusion in der Metallschmelze gilt als der wichtigste Mechanismus des effizienten Lasernitrierens. Der dazu konkurrierende Prozess, der in Stickstoffverlust resultiert, ist der Entgasungsprozess. Dies wird bestätigt durch die Anlassversuche und den Vergleich mit Eisen und Titan nach der Nitrierung mit einem Freie-Elektronen-Laser. Aufgrund der durch das Laserplasma ve! rstärkten thermischen Laser-Metall-Kopplung ist die Nitrier-Effizienz mehr oder weniger unabhängig von der Wellenlänge des auftreffenden Laserstrahls. Die thermische Stabilität von laserproduzierten Metallnitriden und die Eisen-Nitrid-Phasenbildung werden in einer Reihe von Temperbehandlungen in Vakuum und Luft untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass 973 K die maximale Verwendungstemperatur für laserproduzierte Eisennitride ist. Bei Temperaturen über 973 K entweicht aufgrund der Entgasung Stickstoff von der Oberfläche. Titannitrid ist stabiler als Eisennitrid. Dies macht Titan zu einem hervorragenden Kandidaten für effektives Lasernitrieren.