Verbesserung der Alterungsbeständigkeit von Klebungen nichtrostender Stähle unter hygrothermaler Beanspruchung durch eine Kombination von Laserbehandlung und Silikatisierung
Sascha Mechtold
Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der alterungsstabilen Verklebung nichtrostender Stähle unter hygrothermaler Beanspruchung. Während nichtrostende Stähle für ihre jeweiligen Einsatzgebiete besondere Vorteile hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit bieten, ist die Oberfläche für Klebungen aufgrund ihrer passiven Natur nur bedingt geeignet. Bei hohen Anforderungen an die Festigkeit und Beständigkeit einer Klebung nichtrostender Stähle ist eine gründliche Vorbehandlung der Oberfläche daher unerlässlich.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein zweistufiges, laserbasiertes Vorbehandlungsverfahren entwickelt, durch dessen Anwendung die Beständigkeit von Klebungen nichtrostender Stähle signifikant verbessert werden konnte. Das erarbeitete Vorbehandlungsverfahren beruht auf der Ausbildung einer nanoporösen Oxidschicht auf der Oberfläche des nichtrostenden Stahls durch Redeposition von Substratmaterial durch die Behandlung mit einem gepulsten Nd:YAG-Lasersystem und einer nachgelagerten Flammsilikatisierung der so erzeugten Oberfläche.
Es wurden zunächst verschiedene Energiedichten des Lasers untersucht, um eine Schwellfluenz zu identifizieren, ab der die Redeposition von Substratmaterial beginnt. Im Anschluss wurde die Beständigkeit an verklebten Zugscherproben in Abhängigkeit der Fluenz durch Alterung im Autoklav untersucht. Die vielversprechendsten Laserparamter wurden im Anschluss durch eine Flammsilikatisierung erweitert, wodurch die Beständigkeit weiter erhöht werden konnte. Begleitend wurde die Oberfläche mittels Rasterelektronenmikroskopie morphologisch und mittels XPS chemisch charakterisiert. Hierbei stellte sich heraus, dass die sich bildende, nanoporöse Oxidschicht primär aus Eisenoxiden besteht. Als Benchmark dienten die etablierten Vorbehandlungsverfahren SACO®-Strahlen, Korundstrahlen sowie ein Beizprozess.
Abschließend wurde das Vorbehandlungsverfahren an einem praxisnahen Prüfkörper in Form einer eingeklebten Saphirglaslinse in eine Fassung aus nichtrostendem Stahl erprobt. Dabei zeigte sich, dass sowohl die Laserbehandlung als auch die nachgelagerte Silikatisierung die Heliumleckrate des Bauteils maßgeblich senken konnte und somit eine weitgehende dichte und alterungsstabile Verklebung ermöglichten.
