Laser nitriding of metals:Influences of the ambient pressure and the pulse duration
Influences of the ambient pressure and the pulse duration
Lasernitrieren von Metallen:
Einfluss des Umgebungsdrucks und der Pulsdauer
von Meng Han
Datum der mündl. Prüfung:2001-12-17
Erschienen:2002-03-01
Betreuer:Prof. Dr. Klaus-Peter Lieb
Gutachter:Prof. Dr. Hans-Ulrich Krebs
Gutachter:Prof. Dr. Peter Schaaf
Gutachter:Prof. Dr. Gerd Marowsky
Dateien
Name:han.pdf
Size:4.53Mb
Format:PDF
Description:Dissertation
Zusammenfassung
Englisch
Laser nitriding of metals such as iron, stainless steel, aluminum or titanium is an interesting phenomenon both in physics and industry. On a time scale of hundreds nanoseconds, high intensity pulsed laser irradiation ( I ~ 108 W/cm2 ) in ambient nitrogen atmosphere transforms the surface of metals to micron thick metal nitride layer, which greatly improve the metal surface mechanical properties. Since laser plume dynamics and incident pulsed laser are two most crucial factors determining the laser nitriding efficiency, the experiments focus on the influences of the ambient nitrogen pressure and the pulsed laser duration on laser nitriding. It is found that as nitrogen pressure increases from 0.05 bar to 2 bar, the nitriding efficiency increases rapidly, then remains nearly constant up to 10 bar. The optimal nitrogen pressure window lies between 2 and 3 bar. The nitrogen pressure series clearly demonstrated the transition from laser ablation to nitrogen d! iffusion dominated regime. The characteristic parameters of the nitrogen profile are extracted and qualitatively interpreted based on the laser supported combustion model. The investigations of the influence of the pulse duration on laser nitriding with nanosecond (ns) excimer and Nd-YAG laser, picosecond (ps) free electron laser and femtosecond (fs) Ti:sapphire lasers, have revealed that ns laser is superior compared to ps or fs laser. Nitrogen diffusion in molten metals is believed to be the primary mechanism of efficient laser nitriding. The competing process resulting in the depletion of nitrogen is a degassing process, which is confirmed by the annealing experiments and the comparison between iron and titanium nitrided by free electron laser. due to the enhanced laser-metal thermal coupling induced by the laser plasma, the nitriding efficiency is more or less independent of the wavelength of the incident laser. The thermal stability of laser produced metal nitrides and th! e iron nitride phase evolution are investigated in a series of annealing treatments conducted in vacuum and air. The results revealed that 973 K is the maximum temperature for laser produced iron nitrides, above 973 K, nitrogen escapes from the surface due to degassing. Titanium nitride is more stable than iron nitrides, which makes titanium an excellent candidate for effective laser nitriding.Weitere Sprachen
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.
Schlagwörter: Laser; Nitriding; Plasma; Metal; Laser; Nitrieren; Plasma; Metall