Präparation einer _laserumgeschmolzenen, quasikristallbildenden AlCuFe-Legierung für die Unter- 
suchung im Transmissionselektronenemikroskop 
Gundi Baumeister, Arbeitsbereich Metallkunde und Werkstofftechnik, Technische Universität 
Hamburg-Harburg, Birgit Skrotzki, Gunther Eggeler, Institut für Werkstoffe, Ruhr-Universität 
Bochum 
Einleitung 
Quasikristalle wurden erst 1984 von Shechtman, et al. (1) entdeckt. Sie sind zwischen den Kristallen 
und den Gläsern einzuordnen, da sie wie die Kristalle weitreichend geordnet sind, aber wie die Gläser 
kein Translationsgitter besitzen (2). In der Elektronenbeugung zeigen sie ein Beugungsbild mit 
fünfzähliger Symmetrie, welche bis dahin nicht bekannt war. Sie wurde als unmöglich betrachtet, da 
man für den Aufbau einer weitreichenden Ordnung ein Translationsgitter voraussetze. Die lückenlose 
Füllung eines Raumgitters durch Aneinanderreihung identischer Elementarzellen in allen drei 
Raumrichtungen ist jedoch nur mit den Grundformen mit 2-, 3-, 4- und 6-zähligen Rotationsachsen 
möglich. Da die neu entdeckten "Kristalle" quasiperiodisch aufgebaut sind, wurde der Begriff 
Quasikristalle eingeführt. Seit der ersten Entdeckung der Quasikristalle im System Al-Mn sind viele 
Legierungen gefunden worden, die Quasikristalle bilden. Es handelt sich dabei überwiegend um Al- 
Basislegierung gefolgt von Ti-Basislegierungen und verschiedenen anderen (3). In den meisten Fällen 
bilden sich durch hohe Abkühlgeschwindigkeiten von 10° bis 10* K/s metastabile Quasikristalle, die 
im allgemeinen durch Techniken wie das Schmelzspinnen realisiert werden. Die Quasikristalle zeigen 
dabei eine hohe Keimbildungsrate aber keine besonders hohe Wachstumsrate, was für ihre Bildung 
auf Kosten der kristallinen Phase entscheidend zu sein scheint (4). 
g in 
RE Für mögliche technische Anwendungen ist besonders die hohe Härte der Quasikristalle interessant 
an. (5). Bisher sind die meisten Quasikristalle durch Schmelzspinnen hergestellt worden, wobei 
e B. allerdings nur dünne Bänder entstehen, die technisch nicht oder nur schlecht verwendet werden 
nan- können. Wünschenswert wären dünne harte Oberflächenschichten, die zum Verschleißschutz auf ein 
weicheres Grundmaterial aufgebracht werden können. Für deren Herstellung bietet sich die 
K Materialbearbeitung mit dem Laser an. Dabei ist besonders die feine Fokussierbarkeit und die hohe 
en Es Energiedichte des Laserstrahls interessant. Diese ermöglichen die Bearbeitung sehr kleiner, definierter 
0°C Bereiche bei nur geringer Beeinflussung des Umgebungsmaterials. Anwendung findet der Laser beim 
das Schweißen und Löten, Trennen, Abtragen, Bohren und Oberflächenbearbeiten. Letztere läßt sich 
weiter unterteilen in Umwandlungshärten, Umschmelzen, Laserlegieren, Laserdispergieren und 
Laserbeschichten (6). In der vorliegenden Arbeit wurde das Laserumschmelzen angewendet. Ziel des 
S Umschmelzens ist die Erzeugung eines feinen Gefüges in der Laserspur, wobei die 
En Selbstabschreckung des Materials ausgenutzt wird. Bild 1 zeigt das Prinzip des Umschmelzens unter 
0°C Ausnutzung des Tiefschweißeffekts. Dabei wirddas Werkstück mit kontinuierlicher Geschwindigkeit 
x in unter dem feststehenden Laserstrahl entlang geführt. Der direkt vom Laser bestrahlte Bereich schmilzt 
sem dabei auf. Wird das Werkstück weiterbewegt, so wird die Schmelzzone durch das umgebende kalte 
nder Grundmaterial abgeschreckt. Aufgrund der hohen Abkühlraten von 10° bis 10’ K/s entsteht ein 
feinkörniges Umschmelzgefüge. 
Be- 
An- Für die Erzeugung schnell erstarrter Oberflächenschichten wurde in der vorliegenden Untersuchung 
das Oberflächenumschmelzen mit dem CO,-Laser gewählt (Leistung: 4,5 kW, Strahldurchmesser: 0,4 
mm, Fokuslage: + 1 mm, Vorschubgeschwindigkeit: 3,6 m/min). Damit können ähnlich hohe 
Abkühlraten wie beim Schmelzspinnen erzielt werden, wobei der Grundwerkstoff weitgehend 
unbeeinflußt bleibt. Die Vorgänge beim Aufschmelzen und Erstarren unterscheiden sich beim 
Schmelzspinnen und Laserumschmelzen jedoch erheblich. Das Laserumschmelzen gliedert sich in drei 
Teilprozesse: schnelles Aufschmelzen, schnelles Mischen und schnelle Erstarrung (8), wobei die 
, Erstarrung durch den Grundwerkstoff beeinflußt wird. Das Schmelzspinnen hat mit dem 
Laserumschmelzen lediglich das schnelle Abschrecken gemeinsam, während Aufschmelzen und 
Durchmischen der Schmelze manuell geregelt werden können. Anders als beim Laserumschmelzen 
erstarrt’'die Schmelze auf einem Fremdsubstrat. üblicherweise einem Kunferrad. 
3 
De