Oberflächenvorbehandlung von „High Strength and Ductility“ Stahl mit einem gepulsten Laser für die Optimierung der adhäsiven Eigenschaften

Kurzfassung

Die Faser-Metall-Laminate (FML) werden wegen ihrer hervorragenden Leichtbaueigenschaften und langen Lebenszeit in der Luftfahrt eingesetzt. Zurzeit werden die meisten FML aus Aluminium, Glasfasern und Epoxidharz gefertigt. Die aktuelle Forschung geht dahin, das Epoxidharz durch Thermoplaste zu ersetzten. Die Thermoplaste haben gegenüber dem Epoxidharz bessere mechanische, thermische und chemische Eigenschaften. Sie binden sehr viel schneller, da es sich beim Konsolidieren nur um einen Abkühlprozess handelt, und lassen sich in einem kontinuierlichen Herstellungsprozess einsetzen. Damit ist eine kostengünstigere Fertigung mit kurzen Fertigungszeiten möglich. Die größte Herausforderung stellt die Alterungsbeständigkeit der Klebeverbindung und der Grenzfläche, dem sogenannten Interface, dar: Durch den Kontakt mit Feuchtigkeit oder anderen korrosiven Medien wird die Anbindung von Metall und Polymer geschwächt und es kann zum Versagen kommen. Im Institut für Werkstoff-Forschung des DLR werden FML aus Titanlegierungen und Polyetheretherketon (PEEK) entwickelt. Zur Verbesserung der Haftung des Polymers auf dem Metall wurden mehrere Oberflächenbehandlungsmethoden untersucht. Es zeigte sich, dass durch die Behandlung mit einem gepulsten Laser die besten Ergebnisse der Klebefestigkeit und Alterungsbeständigkeit erreicht werden. Auf dieser Basis wurden bereits vielversprechende FML im Labormaßstab hergestellt. Um die Bandbreite der Anwendungsmöglichkeiten der Thermoplast-FML zu erhöhen, werden nun Versuche mit anderen Metallen durchgeführt. Der High Strength and Ductility Stahl (HSD-Stahl) bietet mit seinen herausragenden mechanischen Eigenschaften eine Alternative zu den Titanlegierungen und wurde bereits in der Automobilbranche als vielversprechender Werkstoff erkannt. Weil es sich dabei um eine Eisenlegierung handelt, sind hier andere Oberflächenreaktionen als bei Titan zu erwarten. Im DLR wurden bereits einige Oberflächenbehandlungsmethoden an dem HSD-Stahl durchgeführt. Auch hier zeigte die Laserbehandlung die besten Eigenschaften, allerdings waren die bisherigen Versuchsergebnisse nicht zufriedenstellend. Das Ziel dieser Masterarbeit war, die Einflüsse der Laserbehandlung von HSD-Stahl auf die Adhäsion von Polymeren zu untersuchen. Der Fokus der Untersuchung lag bei der Haftfestigkeit und Alterungsbeständigkeit der HSD-Stahl-PEEK-Verbindung und der Oberflächenbeschaffenheit der laserbehandelten HSD-Stahl-Oberfläche. Variiert wurden die Parameter Laserleistung, Pulsfrequenz und Wiederholungszahl. Im Vorfeld wurden pro Parameter drei Werte gewählt. Somit gab es für die Versuchsreihe 27 Laserparameterkombinationen. Pro Parametersatz wurden sechs Zugscherproben hergestellt. Drei Proben wurden jeweils im Wasser bei 80°C für drei Tage ausgelagert. Daraufhin wurden alle Zugscherproben in Zugversuchen geprüft. Die Ergebnisse wurden in einem Diagramm zusammengefasst und mit Hilfe des Programms Minitab zur statistischen Versuchsplanung ausgewertet. Daraufhin wurde eine weitere kleine Serie an Proben hergestellt, um die Wirkung von äußeren Einflüssen, wie z. B. Lagerzeit, auf die Haftfestigkeit zu untersuchen. Anschließend wurden die laserbehandelten Oberflächen mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM) analysiert. Damit sollten Zusammenhänge zwischen den mechanischen Eigenschaften und der Oberflächentopografie erforscht werden. Die Ergebnisse der Zugscherversuche zeigten, dass ca. zehn Parameterkombinationen zu einer zufriedenstellenden Haftfestigkeit führten. Nur vier davon hatten auch eine akzeptable Alterungsbeständigkeit. Aus der statistischen Analyse ging hervor, dass die Laserleistung den größten Einfluss auf die Haftfestigkeit und die Alterungsbeständigkeit hat. Je höher die Leistung, desto fester und beständiger war die Klebeverbindung. Mit der Pulsfrequenz wurde das Verhältnis zwischen der Pulsenergie und der Anzahl an Pulsen pro Fläche geregelt. Demnach wurden bei einer hohen Frequenz viele Pulse pro Fläche mit einer niedrigeren Energie erzeugt. Bei niedriger Frequenz war die Energie höher und die Pulszahl geringer. Die experimentellen Ergebnisse zeigten auf, dass mit steigender Frequenz die Haftfestigkeit und die Alterungsbeständigkeit abnahmen. Hier gab es ein nahezu lineares Verhältnis zwischen der Haftfestigkeit und der Frequenz. Der Einfluss der Wiederholungszahl hängt von Leistung und Frequenz ab. Bei hoher Leistung und niedriger Frequenz reichen wenige Wiederholungen für eine hohe Haftfestigkeit aus. Ist die Leistung gering und die Frequenz hoch, sind viele Wiederholungen notwendig. Die zusätzlich hergestellten Proben zur Prüfung der äußeren Einflüsse, wie z. B. lange Lagerzeiten, hohe Kühlraten oder verschiedene PEEK-Zustände, wiesen keinen signifikanten Unterschied der Haftfestigkeiten zu unbeeinflussten Proben auf. Demzufolge ist der Prozess zur FML-Herstellung mit laserbehandelten Metalloberflächen relativ unempfindlich gegen äußere Einwirkungen. Im Vergleich zu Titan war die Festigkeit der besten ungealterten HSD-Zugscherproben etwa 7% und der im Wasser gealterten Proben etwa 15% niedriger. Die Oberflächenbeschaffenheit der laserbehandelten Flächen zeigte vergleichbare Strukturen wie bei den Titanlegierungen. Hier wurde in Mikro- und Makrostruktur unterschieden. Die Makrostruktur wurde am stärksten von der Wiederholungszahl beeinflusst. Dabei bildeten sich Näpfchen aus, die mit steigender Wiederholungszahl tiefere Täler aufwiesen. Die Haftfestigkeit war bei Proben mit ausgeprägter Makrostruktur im guten Bereich. Allerdings erreichte die Alterungsbeständigkeit meistens nur schlechte bis mittlere Werte. Die Mikrostruktur bezieht sich auf feine korallenähnliche Strukturmotive im Nanometerbereich. Diese war bei Proben, die mit hoher Leistung und geringer Frequenz behandelt wurden, besonders stark ausgeprägt. Mit steigender Wiederholungszahl wurde die Mikrostruktur jedoch zerstört. Die Haftfestigkeit und Alterungsbeständigkeit lag bei Proben mit einer solchen Struktur im obersten Bereich. Somit lässt sich die Aussage treffen, dass die gewünschten mechanischen Eigenschaften mit einer ausgeprägten Mikrostruktur erreicht werden können. Die Makrostruktur spielt eine untergeordnete Rolle für Haftfestigkeit und Alterungsbeständigkeit. Eine Schwierigkeit bei den Versuchsreihen stellten Klebefehler dar. Sie wurden bei rund 20% aller Proben aufgefunden. Bis hierhin wurde ein solches Phänomen noch bei keiner Metall-PEEK-Verklebung festgestellt. Alle Klebefehler wiesen ähnliche Merkmale auf: Der Rand der Klebefläche war weitgehend bis auf einen Spalt verklebt und in der Mitte gab es eine nicht verklebte oxidierte PEEK-Fläche. Über ein Bildbearbeitungsprogramm ließen sich zwar die Klebeflächen korrigieren, aber die ohnehin schon große Streuung der Ergebnisse stieg weiter an. Die Häufigkeit der Klebefehler hing auf zwei Arten mit den Prozessparametern zusammen. In den heißeren Ofenzonen kam es während des Klebevorganges etwa viermal häufiger zu Klebefehlern wie in den weniger heißen Ofenzonen. Das zweite Merkmal betraf die Laserparameter. Die Häufigkeit der Klebefehler stieg mit steigender Laserleistung, fallender Pulsfrequenz und steigender Wiederholungszahl. Problematisch ist hier der Zusammenhang mit der Haftfestigkeit und der Alterungsbeständigkeit. Man könnte die Wiederholungszahl bei der Herstellung von FML gering halten, um Klebefehler zu vermeiden, ohne dabei die Klebefestigkeit zu verringern. Bei Frequenz und Leistung müsste man jedoch beachten, dass bei den Laserparametern, die zu einer guten Klebebindung führen auch die Klebefehler vermehrt auftreten. Die Ursache für Klebefehler liegt vermutlich in der Oberflächenchemie, konnte jedoch im Rahmen dieser Arbeit nicht abschließend ermittelt werden. Trotz der Klebefehler sind die Parameter mit 20 W Leistung, 40 kHz Frequenz und 1 Wiederholung am besten für die Herstellung eines festen und alterungsbeständigen Klebeinterfaces geeignet. Somit lässt sich abschließend sagen, dass der HSD-Stahl in Verbindung mit dem PEEK nicht die gleiche Haftfestigkeit und Alterungsbeständigkeit wie die der Titanlegierungen erreicht. Diese liegen trotzdem in einem sehr guten Bereich deutlich oberhalb der Festigkeit typischer Klebeverbindungen mit Duromeren. Bevor mit dem HSD-Stahl FML für kommerzielle Anwendungen gefertigt werden können, muss die Ursache für die Klebefehler untersucht und beseitigt werden.