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.
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