Direkte Lasersynthese von Funktionsschichten
Untersuchung physikalischer Prozesse des Lasernitrierens anhand des Modellsystems TiN
Direct laser synthesis of functional coatings
Investigation of physical processes during laser nitriding by means of the model system TiN
Daniel Höche
Doctoral thesis
Date of Examination:
2008-11-28
Date of issue:
2008-12-04
Advisor:
Schaaf, Peter Prof. Dr.
Referee:
Lube, Gert Prof. Dr.
Persistent Address: http://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0006-B478-9
Files in this item
Name:
hoeche.pdf
Size:
5,1 MB
Format:
PDF
Description:
Dissertation
The following license files are associated with this item:
Abstract
English
Hard material systems such as titanium nitride play an important role within the field of material sciences. In particular wear and corrosion protection are based on such systems. Beside the classical procedures such as PVD or CVD, the procedure of the direct laser synthesis in a reactive gas environment, as examined here, represents an alternative to the production of such layers. This work shows the successful synthesis of such layers by free electron- and Nd:YAG laser irradiation and tries to give an idea of the physical processes taking place. Therefore FEM - simulations of the procedures involved in these processes, such as warming and nitrogen transport, have been performed. By means of these calculations it is possible to receive a quantification of the processes that are difficult to access by experiments. Moreover some extensive investigations have been made, i.e. hardness measurements and nitrogen depth profiling in the coatings. Additionally, XRD has been performed by which the microscopic structure of the layers were determined and correlated with the scan parameters. The process is further parameterized by means of a dimensionless size Sigma. This results in large potentials for technical applications. Finally, general conditions for the synthesis of such layers with this procedure were set up. With the help of these results it is possible to achieve purposefully predefined layer characteristics.
Keywords: Nitriding; TiN; Free electron laser; finite element method
Other Languages
Hartstoffsysteme wie Titannitrid spielen im Bereich der Materialwissenschaften eine wichtige Rolle. Insbesondere der Verschleiß- und Korrosionsschutz basiert auf solchen Systemen. Neben den klassischen Verfahren wie PVD oder CVD, stellt das hier untersuchte Verfahren der direkten Lasersynthese in reaktiver Gasumgebung eine Alternative zur Herstellung solcher Schichten dar. Die Arbeit zeigt die erfolgreiche Synthese solcher Schichten mit Hilfe von Freier Elektronen- und Nd:YAG Laserbestrahlung und versucht einen Einblick in die ablaufenden physikalischen Prozesse zu geben. Deshalb wurden FEM - Simulationen der während des Prozesses ablaufenden Vorgänge wie Wärme- und Stickstofftransport durchgeführt. Mit Hilfe dieser Rechungen ist es möglich, eine Quantifizierung der experimentell schwer zugänglichen Prozesse zu erhalten. Des Weiteren wurden umfangreiche Untersuchungen wie Härte- und Stickstoffprofilierung an den Schichten vorgenommen. So konnte mittels XRD - die mikroskopische Struktur der Schichten ermittelt und mit den Scanparametern korreliert werden. Mit Hilfe einer dimensionslosen Größe Sigma wird der Prozess zu dem parametrisiert. Somit ergeben sich anwendungstechnisch große Potenziale. Abschließend wurden allgemeine Bedingungen für die Herstellung solcher Schichten mit diesem Verfahren aufgestellt. Bei Beachtung dieser Vorgaben ist es möglich, gezielt vordefinierte Schichteigenschaften zu erhalten.
Schlagwörter: Nitrieren; TiN; Freie Elektronen Laser; Finite Elemente Methode
