Alterungsbeständige Titan-Polymer-Fügeverbindungen durch metallseitige Laservorbehandlung

Abstract

Für den Einsatz als Leichtbaukomponenten müssen Werkstoffe neben einem geringen Gewicht über sehr gute mechanische Eigenschaften verfügen. Durch die Verbindung mehrerer Materialien zu hybriden Werkstoffen und Strukturen können diese Anforderungen oft sehr gut erfüllt werden. Vor allem Kombinationen zwischen Metall und (faserverstärkten) Polymeren, z.B. in Faser-Metall-Laminaten, stoßen auf großes Interesse. Um die Langzeitstabilität zu gewährleisten, ist eine stabile, alterungsbeständige Anbindung des Polymers an die Metalloberfläche notwendig. Mithilfe von geeigneten Oberflächenvorbehandlungen, die die Morphologie und Chemie der Fügeflächen modifizieren, können hohe Anfangsfestigkeit und Alterungsbeständigkeit erreicht werden. In früheren Arbeiten wurde eine besonders gute Verbundhaftung und Langzeitstabilität für eine Titan/Thermoplast-Verbindung durch Vorbehandlung der Titanoberfläche mit einem gepulsten Nd:YAG-Laser erzielt. Insbesondere nach feuchtwarmer Auslagerung ist die Laserbehandlung anderen Verfahren (z.B. Sandstrahlen, Anodisation) überlegen. Mikroanalytische Untersuchungen der gelaserten Oberflächen offenbaren eine auf verschiedenen Größenskalen ausgeprägte Strukturierung. Abhängig von den eingestellten Laserprozessparametern bildet sich eine Makrostruktur (Größenordnung der Laserschmelzpools) aus, auf der eine feine, korallenartige oxidische Nanostruktur vorhanden ist. In den aktuellen Untersuchungen liegt der Fokus auf dem Verständnis der Bindungsmechanismen am vorbehandelten Interface und deren Beitrag zu einer langzeitstabilen Verbindung. Um die Anteile der Oberflächenmorphologie und -chemie an der hohen Feuchtigkeitsresistenz von laserstrukturierten Titan/Polymer-Grenzflächen systematisch aufzuschlüsseln, werden die gelaserten Oberflächen in ihrer Makro- und Nanorauheit gezielt modifiziert. Eine erste mechanische Bewertung des Fügeinterfaces erfolgte in Zugscherversuchen an Proben aus zwei Titanstreifen, die mit einem Thermoplast und alternativ einem Duromer verklebt waren, vor und nach kontrollierter Alterung. Die erzielten Zugscherfestigkeiten in Kombination mit einer Bruchflächenanalyse erlauben erste Schlüsse auf die Wichtigkeit einzelner Strukturen für die Anfangs- und Langzeitfestigkeit und den Versagensmechanismus. Eine hohe Anfangsfestigkeit wurde bereits erreicht, wenn die Titanoberfläche eine Oberflächenvergrößerung durch eine Makrostruktur aufwies. Hohe Restfestigkeiten wurden jedoch nur bei den Proben ermittelt, deren Interfaces zusätzlich eine stark ausgeprägte Nanostruktur besaßen. Dies wurde sowohl für den untersuchten Thermoplast als auch das Duromer beobachtet.