Einkristallzucht oxidkeramischer Werkstoffe mittels generativem Laserauftragschweißen

• Antragsteller: Professor Dr. Reinhart Poprawe
• Fachliche Zuordnung: Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 238032435

Beim Laserauftragschweißen (LA) wird ein pulverförmiger Zusatzwerkstoff über eine Zufuhrdüse auf ein Substrat geleitet und mit Laserstrahlung vollständig geschmolzen. Volumenkörper können durch schichtweises Auftragschweißen hergestellt werden. Bei der Einkristallzucht mittels LA erfolgt die Herstellung in einem von oben zugänglichen Ofen. Der Ofen ermöglicht das erforderliche Temperaturmanagement bezüglich Aufheiz- und Abkühlrate sowie Einstellung kleiner Temperaturgradienten in Schmelze und Kristall. Im Unterschied zu konventionellen Zuchtverfahren für Einkristalle sind die Kontamination der Schmelze durch die Wärmequelle (Gasflamme im Verneuil-Verfahren) und den Tiegel (Czochralski-Verfahren) ausgeschlossen. Laserbasierte Verfahren zur Zucht von massiven Einkristallen sind nicht bekannt. Das übergeordnete Ziel des Vorhabens ist die Erarbeitung eines grundlegenden Prozessverständnisses zur Einkristallzucht von Oxidkeramiken durch generatives Laserauftragschweißen am Beispiel des Werkstoffes Saphir. Zur Erreichung dieses Ziels sind Arbeiten zum Einfluss-Wirk-Zusammenhang von Verfahrensparametern auf das Wachstum und die Eigenschaften des Kristalls, sowie Arbeiten zur Anpassung der Verfahrenstechnik erforderlich. Daraus abgeleitet sollen folgende Teilziele erreicht werden:Modelltheoretische Beschreibung des Zuchtvorganges durch FEM-Simulation örtlicher und zeitlicher Temperaturfelder. Hieraus sollen Erkenntnisse zu den einstellbaren Temperaturgradienten im Flüssigen wie im Festen, zum Einfluss der Intensitätsverteilung des Laserstrahls und der Laserleistung gewonnen werden Erarbeitung des Einflusses der Verfahrensparameter auf Wachstum und Eigenschaften des Kristalls. Die wesentlichen Einflussgrößen sind die Laserleistung, Intensitätsverteilung im Laserstrahl, Aufheiz- und Abkühlzyklen, Pulverzufuhr, Eigenschaften des Zusatzwerkstoffes und des Keimkristalls, Ofentemperatur, Rotation des Kristalls. Anpassung der Verfahrens- und Anlagentechnik zur Einstellung optimaler Wachstumsbedingungen für das Einkristallwachstum. Zur Erzielung einer homogenen Temperaturverteilung auf dem Kristall soll ein Strahl-Homogenisator für CO2-Laserstrahlung bis 3 kW Leistung entwickelt werden. Die Pulverzufuhr soll im Hinblick auf eine möglichst homogene Verteilung des Pulvers auf der Kristalloberfläche angepasst werden. Dabei muss auch berücksichtigt werden, dass Temperaturabsenkungen durch die in die Schmelze eintauchenden kalten Pulverpartikel und der Kühleffekt durch das Fördergas minimiert werden.Für die Zukunft bietet das Laserauftragschweißen als flexibles Verfahren der Einkristallzucht weitere Einsatzmöglichkeiten wie die Herstellung von Körpern unterschiedlicher Geometrie ohne Anpassung einer Matrize (Zylinder, Rechteck, Scheibe) z.B. durch Anpassung der Größe des Laserstrahls oder scannende Bearbeitung, oder die Einstellung von Dotierungs-Gradienten über die Länge eines Kristalls durch Variation der Pulverzusammensetzung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Beteiligte Personen: Privatdozent Dr. Lars Peters; Dr.-Ing. Andreas Weisheit