Laser interference metallurgy of metallic surfaces for tribological applications

Abstract

Tribological phenomena play a decisive role in diverse systems. For many years, researchers have sought to alleviate these problems and to understand their origin. There are many potential solutions to manipulate friction. In particular, the rapidly growing field of laser surface texturing has attracted a lot of attention in the last decades and shown to be an effective means of improving tribological properties. A possible approach of laser surface texturing to scrutinize the effects of various pattern geometries and lateral feature sizes in one single laser shot is the so called Laser Interference Metallurgy (LIMET) which will be applied within this thesis. The aim is to study the microstructural and topographic possibilities of LIMET concerning the tribological performance of laser-patterned thin film systems (Au and TiAl multilayer) and bulk aluminium as well as steel surfaces. It will be shown that depending on the laser fluence for example, distinct grain size arrangements and intermetallic phase composites can be created with superior tribological properties compared to the unpatterned reference situation. Moreover, a successful process combination of micro-coining and LIMET will be presented with an enhanced oil retainment capability under lubrication. Finally, the results of laser-textured steel surfaces and their ability to geometrically interlock will be shown. Depending on the relative alignment between the textured sliding surfaces and the selected pattern line-spacing, the frictional response can be significantly influenced. Most of the experimental results will be directly correlated to simulations in order to reveal the underlying phenomena.

Reibung spielt eine zentrale Rolle in vielen Bereichen. Insbesondere die Steuerung von Reibung ist dabei von enormer Bedeutung. Zur Minimierung von Reibung sind in den vergangenen Jahrzehnten bereits unzählige Methoden für trockene und geschmierte Bedingungen entwickelt worden. Besonders laserstrukturierte Oberflächen scheinen hierbei vielversprechend für tribologische Anwendungen zu sein. Ein Ansatz, mikrostrukturell und topographisch ma geschneiderte Werkstoffe zu erzeugen, ist die Laserinterferenzmetallurgie (LIMET). Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung der erzielbaren mikrostrukturellen und topographischen Effekte durch LIMET und deren Auswirkungen auf die tribologischen Eigenschaften von metallischen Schichtsystemen (Au und TiAl-Multilagen) sowie massiven Aluminium- und Stahloberflächen. Hierbei wird gezeigt, dass es z.B. abhängig von der gewählten Fluenz möglich ist, Korngrößenarchitekturen oder intermetallische Phasenkomposite definiert zu erzeugen, deren Reibeigenschaften denen der unbehandelten Ausgangssituation überlegen sind. Des Weiteren wird die erfolgreiche Kombination des Mikroprägens mit der LIMETMethode vorgestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass insbesondere die Ölspeicherfähigkeit in den hierarchischen Kavitäten unter geschmierten Bedingungen deutlich gegenüber einer unstrukturierten Oberfläche gesteigert ist. Schlie lich werden die tribologischen Auswirkungen von beidseitig strukturierten Stahloberflächen in Abhängigkeit von deren gegenseitiger Orientierung und den gewählten Strukturabständen näher untersucht. Je nach Ausrichtung und den genannten Strukturperiodizitäten lässt sich das Reibverhalten reproduzierbar in gewissen Grenzen manipulieren. Die experimentellen Ergebnisse werden mit Simulationen verknüpft, um dadurch die Wirkmechanismen näher zu beleuchten.