Design of steel surface and wetting properties by laser patterning

Abstract

Nowadays, the actual industries require massive cost savings. Thus, it makes sense to improve basic materials. Various properties may be changed to design consumption-friendly materials and to enhance effciency (e.g. improve heating and abrasive resistance), friction, adhesion and lubrication of materials. Hence, patterning techniques are useful tools to tailor the material properties according to a simple guideline: "have the right property at the right place". Numerous techniques are based on surface modifications and involve light sources. Since the achievement of modern laser systems, fast to ultrafast laser are used in labs and industrial groups. They have legion advantages in comparison to embossing techniques such as material patterning without mechanical contact and allow a sub micro-precision. During this thesis, two techniques were used in order to develop and enhance the surface properties of the 100Cr6 steel: the femtosecond laser ablation and laser interference metallurgy. First, the bearing properties were enhanced by a smart and advanced design of the surface. Secondly, the hydro- and oleophilic properties of irradiated samples were studied and compared to non-irradiated. Finally, a combination of both techniques was performed in order to unite the wetting advantages of both patterning methods. Various patterns were elaborated in order to determine an optimal structure design and the chemical and topographical properties were consistently evaluated and compared

Heutzutage müssen sowohl Forschung als auch moderne Industrie so kostengünstig wie möglich arbeiten. Deshalb ist es sinnvoll, Standard-Materialien bzw. deren Eigenschaften zu verbessern: Dies gelingt durch geringeren Brennstoff-Verbrauch, Erhöhen der Materialeffzienz (z.B. besserer Erwärmungs- und Verschleiß-Widerstand), Reibung und Adhäsion, Schmierung, usw. Texturierungsmethoden sind imstande, die Materialeigenschaften gemäß eines einfachen Prinzips auszubilden: "die richtigen Eigenschaften an der richtigen Stelle ". Techniken auf Basis von Lichtquellen erlauben solches Design, weshalb kurze und ultra-kurze Laser-Systeme in Entwicklungsabteilungen genutzt werden. Gegenüber Prägungsmethoden ergeben sich zahlreiche Vorteile. Das Verfahren funktioniert ohne mechanischen Kontakt und mit einer submikron-Präzision. Zwei Lasermethoden wurden benutzt, um die 100Cr6 Stahl Eigenschaften zu verbessern: die Femtosekunden Laser Ablation und Laser Interferenz Metallurgie. Zuerst wurde die Tragfähigkeit durch ein sinnvolles Design verbessert. Danach wurden das hydro- und oleophile Verhalten von texturierten Proben untereinander und mit unstrukturierten Proben verglichen. Abschließend wurden die beiden Laser-Prozesse miteinander kombiniert, um so die Vorteile der jeweiligen Methode zu erhalten. Mehrere Muster wurden hergestellt, um ein optimiertes Design zu erzeugen. Die chemischen und topographischen Eigenschaften der Strukturen wurden stets charakterisiert und miteinander verglichen.