Laser Peening für innovative Werkstoffe und Oberflächen

Abstract

Laser peening (laser shock peening, LSP) is a mechanical surface treatment, increasingly applied for generating particularly deep residual compressive stresses close to the surface thus significantly increasing the service life of components. In order to meet the current challenges in the field of sustainability, this work investigates the enormous potential of this technology, from a materials science perspective, in the field of additive manufacturing / 3D printing for lifetime enhancement as well as surface functionalization. As an example, Ti6Al4V alloy, used for additively manufactured components for space applications, is used to demonstrate the introduction of 2.4 mm deep compressive residual stresses, leading to an increase in fatigue life by a factor 100, and also further explaining the deformation characteristics. A comparison is made with conventional shot peening and technically proven cast iron. Laser peening is used for the first time to overcome the near-surface tensile residual stresses typical in laser-based topographic functionalization and additionally opens the perspective for a multi-scale periodically structured surface. Laser polishing, direct laser interference patterning (DLIP) and laser peening will be presented as a novel process combination applied for the sustainable and tailored post-treatment of additively manufactured parts.

Laser Peening (Laser Shock Peening, Laser Schock Verfestigung, LSP) repräsentiert ein zunehmend anwendungsrelevantes mechanisches Oberflächenbehandlungsverfahren zur Generierung besonders tiefer oberflächennaher Druck-Eigenspannungen für signifikante Lebensdauersteigerungen von Bauteilen. Um den aktuellen Herausforderungen im Bereich Nachhaltigkeit zu begegnen, untersucht die vorliegende Arbeit aus materialwissenschaftlicher Perspektive das enorme Potential dieser Technologie im Bereich additive Fertigung / 3D-Druck zur Lebensdauersteigerung sowie Oberflächenfunktionalisierung. Am Beispiel der für additiv gefertigte Bauteile in Weltraumanwendungen eingesetzten Legierung Ti6Al4V wird die Einbringung von 2,4 mm tiefen Druck-Eigenspannungen gezeigt, welche zu einer Steigerung der Lebensdauer um den Faktor 100 führen, sowie ein Beitrag zur Aufklärung der Deformationscharakteristik geleistet. Dabei erfolgt ein Vergleich zu konventionellem Kugelstrahlen und dem technisch bewährten Werkstoff Gusseisen. Laser Peening wird erstmals zur Überwindung der für laserbasierte topographische Funktionalisierungen typischen oberflächennahen Zug-Eigenspannungen genutzt und eröffnet die Perspektive für eine multiskalige, periodische Oberflächenstrukturierung. Die Verfahren Laserpolieren, direkter Laser-Interferenzstrukturierung (DLIP) und Laser Peening werden als neuartige Prozesskombination zur nachhaltigen und maßgeschneiderten Nachbehandlung additiv hergestellter Bauteile vorgestellt.