Die plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PE-CVD) hat sich als eines der wichtigsten Dünnschichtverfahren etabliert. Für die Bearbeitung von Pulvern haben sich in der Technik Wirbelbettverfahren bewährt. Beide Verfahren sind an sich gut untersucht und verstanden. In der Arbeit wird ein Konzept zur Kombination dieser beiden Verfahren vorgestellt. Dabei zeigt sich, dass die einzelnen Modelle beider Verfahren durch experimentelle Untersuchungen ergänzt werden müssen, um das entsprechende Parameterfeld abzugrenzen. Durch die Untersuchung der Gasphase während der Abscheidung können Rückschlüsse auf die ablaufenden chemischen Reaktionen gezogen werden. Vergleichende ramanspektroskopische Untersuchungen, zwischen statischen Beschichtungen und Beschichtungen im Wirbelbett gestatteten es, den Einfluss der einzelnen Prozessparameter zu untersuchen. Mikroglaskugeln mit einem Durchmesser von ca. 160µm werden mittels Toluen als Precursor in einem Argon-Wasserstoff-Plasma beschichtet. Dazu werden als Prozessparameter die Mikrowellenleistung, die Zusammensetzung der Gasphase und das Precursorangebot variiert. Die durch die Oberflächenmodifizierung erreichten Änderungen der Eigenschaften der pulverförmigen Substrate können durch Oberflächenspannungsmessungen gezeigt werden. Es zeigt sich, dass vor allem die mechanische Beanspruchung im Wirbelbett und die Zusammensetzung der Reaktionsgasphase entscheidenden Einfluss auf die entstehende Schichtstruktur besitzen.

In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, wie sich instationäre Plasma- und Fördergasvolumenströme nutzen lassen, um den Plasma-Pulver-Auftragschweißprozess in seiner Gesamtheit zu beeinflussen. Dabei wurden die Veränderungen in der Lichtbogencharakteristik, der Pulverzuführung und insbesondere dem Schmelzbad analysiert und in einem theoretischen Prozessmodell zusammengefasst. Die gewonnenen Ergebnisse und die aufgezeigten Wirkzusammenhänge konnten in der Folge dazu genutzt werden, die Hartstoffverteilung in Pseudolegierungen und den mikrostrukturellen Aufbau geschweißter konventioneller Hartschichten zu modifizieren. / In the present studies it is examined, how unsteady gas flows can be used to modify the plasma transfer arc welding process in its entirety. In the first step it was analysed in which different ways non-steady-state plasma and transport gas flows influence the arc characteristics, the powder transport and the melt bead properties. With the obtained results a theoretical model was developed, to describe the observed behaviours and understand the coherences. Subsequently the preliminary findings were used to alter the distribution of tungsten-carbide in a welded hardface composite coating and to modify the microstructure of a conventional alloy welded with the plasma transfer arc process.

Reine und dotierte SnO2 Feinstpulver und Einkristalle wurden mit verschiedenen Methoden hergestellt. Die Abhängigkeit der Eigenschaften von der Dotierungsart und der Dotierungskonzentration wurde untersucht. Die Dotierung mit fünfwertigen Elementen (Sb, Nb) führt zur Erniedrigung des spezifischen elektrischen Widerstandes und die Dotierung mit dreiwertigen Elementen (z.B. In) zu seiner Erhöhung. An den dotierten Materialien kann mittels XPS eine Segregationsschicht nachgewiesen werden. Der Umfang dieser Schicht ist abhängig sowohl von dem Dotierungselement, als auch von den Herstellungsbedingungen (z.B. Temperatur und Temperungszeit). Für die Pulver wird, im Gegensatz zu den Einkristallen, kein thermodynamisches Gleichgewicht für Segregationsprozess im untersuchten Zeitfenster gefunden. In der vorliegenden Arbeit wird ein Model vorgestellt, dass es erlaubt, die Dicke der Segregationsschicht, als auch der verbleibenden Volumenkonzentration der Dotierungselement im SnO2 Kristallit zu berechnen. Die Volumenkonzentration beträgt in Abhängigkeit von der Dotierungsart und Temperatur bis zu 70% der gesamten Dotierungskonzentration. Die sich ausbildende Segregationsschicht erreicht einen Bedeckungsgrad von bis zu einer Monolage. Die Aktivierungsenergie der Diffusion, sowie die freie Enthalpie des Segregationsprozesses können für die hier untersuchten Dotierungselemente in SnO2 bestimmt werden.

In der vorliegenden Arbeit wird die Aktivierung der Bildungsbedingungen von Mullit in Pulvermischungen anorganischer Al3+ - und Si4+-haltiger Ausgangsrohstoffe mit stöchiometrischer Zusammensetzung von 3/2-Mullit untersucht. Eine mit 1,25 Atom-% Magnesiumhydroxid dotierte und unter hydrothermalen Bedingungen (300°C/24 h) ausgelagerte Pulvermischung aus Gibbsit und Quarz zeichnet sich beim Sintern ab 1150°C durch hohe Mullitisierungsraten aus. Dieser Mullitprekursor kann erfolgreich als Bindematrix in einem Werkstoff auf Sintermullitbasis eingesetzt werden. Nach der Sinterung (1600°C/2 h) einer Versatzmischung aus 70 Masse-% Sintermullit und 30 Masse-% Mullitprekursor entsteht ein homogenes Werkstoffgefüge in dem die ursprünglichen Korngrenzen der Sintermullitkörnung und der mullitisierenden Bindematrix nicht mehr zu identifizieren sind. Das Gefüge dieses Werkstoffes ist durch eine große Anzahl kleiner Poren (< 10 µm) mit enger Porengrößenverteilung gekennzeichnet.

One of the most important factors for a successful performance of a load-bearing implant for hard tissue replacement is its mechanical compatibility with human bone. That implies that the stiffness should be close to that of a bone and the strength of the implant material must be high enough to bear the load applied under physiological conditions. The Young´s modulus of most of the commonly used biomedical alloys is larger than that of a human bone (around 100 GPa for cp Ti, 112 GPa for Ti-6Al-4V versus 10-30 GPa for cortical human bone). A stiffness reduction of Ti alloys can be achieved by two approaches: (i) selecting an alloy composition with low Young´s modulus i.e. a ß-type alloy and (ii) introducing a reasonable amount of porosity. The composition of Ti-40Nb was chosen for the present work, as it allows to stabilize a single ß-type phase with low Young´s modulus at room temperature. The samples were produced by a powder metallurgical approach. The Ti-40Nb alloy powder was obtained by ball-milling of elemental Ti and Nb powders. The influence of the milling parameters on the oxygen content in the milled powder was studied. Powders with a lowest oxygen content of 0.4 wt.-% had an almost single ß-type phase after heat treatment and quenching. Porous samples were produced by loose powder sintering, hot-pressing and sintering with NaCl as a space-holder. The influence of the different processing routes and different porosities on the mechanical properties of the alloy was studied. The samples produced by loose powder sintering had mechanical properties close to those of cortical human bone (Young´s modulus 20 GPa, compression strength 150 MPa) and the samples produced by loose sintering with space-holder materials had mechanical properties close to those of human spongy bone (Young´s modulus 0.2-2 GPa, compression strength 50 MPa). Porous Ti-40Nb samples were coated with bone-like hydroxyapatite by an electrochemical deposition method in order to improve the osseointegration of the samples with bone tissue. The experiments were carried out with samples produced by different routes and a correlation between the deposition parameters and the morphology of the hydroxyapatite needles was found.

Die Arbeit analysiert das Lasermikrosintern von Metallen in seiner Gesamtheit durch kalkulierbare Modelle und Formulierungen. Hierfür wird der Sintervorgang in relevante Prozessschritte untergliedert. Die darauf aufbauenden Berechnungen der Prozessparameter werden in Form analytischer Ansätze und durch numerische Simulation analysiert. Anfänglich werden die Modelle der Einzelschritte und deren Resultate werden auf Übereinstimmung mit den experimentellen Daten und Beobachtungen geprüft. Hierbei dienen die Modelle, Algorithmen und analytischen Beziehungen als nachhaltiges Instrumentarium für Analysen und Beschreibungen dieses und ähnlicher Prozesse. Mithilfe der entwickelten Algorithmen werden die bisherigen Vorstellungen zum Prozessmechanismus verifiziert, korrigiert, ergänzt und offene Fragen zur Prozessmechanik beantwortet. Abschließend werden die mechanistischen Modelle der Einzelschritte zur Diskussion experimenteller Ergebnisse und beobachteter Prozessphänomene in Form einer Gesamtinterpretation der betreffenden Lasermikrosinterregime zusammengeführt. Zunächst werden die Prozessbedingungen und Prozessbeschreibungen sowie die Modelle zur Strahlungsabsorption in Pulvern in Arbeiten fremder Autoren vorgestellt. Zur Beschreibung der Ursache und Wirkung laserinduzierter Plasmen, ein besonders beim Lasermikrosintern bedeutsames Phänomen, wird auf eigene frühere Arbeiten zurückgegriffen. Aus den besonderen Bedingungen des Lasermikrosinterns wird die formale Gliederung des Prozessverlaufs in drei separate Dissipationsphasen abgeleitet. Die drei relevanten Reaktionsphasen sind hierbei, die Absorption der Strahlung, die Wärmeausbreitung und Schmelzerzeugung sowie die Wärmeleitung im Pulverbett. Die ablaufenden Einzelmechanismen als Folge der gepulsten Laserstrahlung werden durch geeignete Näherungen beschrieben und berechnet. Die Resultate werden mit grundlegender Aussage mit experimentellen Beispielen verglichen und verifiziert. Die Betrachtung unterschiedlicher Regime des Lasermikrosinterns erfolgt, gestützt auf die Ergebnisse der Kalkulationen der energetisch-thermodynamischen Synthese. Es werden Aussagen zu den regimespezifischen Prozessmerkmalen getroffen und mit den Beobachtungen verglichen. Oder, es werden regimespezifische Beobachtungen mit Hilfe der im vorhergehenden Abschnitt entwickelten prozessanalytischen Werkzeuge interpretiert. Auswirkungen von Parametervariationen auf den Gesamtprozess werden im Hinblick auf das Optimierungspotential diskutiert.

Hintergrund dieser Arbeit war die Entwicklung keramischer faserverstärkter Hochleistungswerkstoffe auf der Basis von SiC. Es wurden 2D-Faserverstärkungen eingesetzt und verschiedene SiC-Pulverqualitäten (Submicron- und Nanopulver) betrachtet. Die Infiltration der Kohlenstofffasergewebe erfolgte elektrophoretisch aus einer ethanolischen SiC-Suspension und führte im Fall des Submicronpulvers zu einer vollständigen Infiltration. Die Verbunde wurden durch Stapeln der infiltrierten Gewebe erzeugt und sowohl drucklos als auch durch Heißpressen verdichtet. Durch Heißpressen war es möglich, faserverstärkte Verbunde herzustellen, die in Abhängigkeit vom Mischungsverhältnis der SiC-Pulver und von den Herstellungsparametern signifikant unterschiedliche mechanische Eigenschaften besaßen.

Metal  additive  manufacturing  technologies  are  widely  employed  in  the aerospace, automotive  and  medical  industries. Selective  laser  melting  is  a type  of  metal additive manufacturing process in which powders are consolidated layer by layer in a predefined pattern with the help of a laser beam to create a component.   Powder characteristics are critical in influencing the quality of the printed component.  Metal powders must be within a specific size range and have spherical morphology to exhibit good  flow  and  spread behaviour  during  the  additive  manufacturing  process.   It  is necessary to understand the flow behaviour to comprehend the powder’s performance during the  process.   The  study  investigates  the  effect  of  powder  characteristics like particle  shape,  particle  size  and  size  distribution  on  the  flow behaviour  of  steel powders.   Powder  characterisation  techniques  relevant  to the  powders  for  additive manufacturing application is identified and performed. Sieve analysis fails to incorporate the particle shape during the particle size estimation. Optical microscopy is not a robust method for determining the particle shape.  Flow behaviour of the powders was studied using flowmeter test, rheometric analysis and static angle of repose test.  Rheometric analysis is more sensitive to minor variations in the flow behaviour compared to flowmeter tests. The static angle of repose test fails to incorporate the stresses experienced by the powder during the process and can be used to get a rough estimate for the powder flow behaviour in terms of cohesion.  Of the seven steel powders examined, the same powder with flow time 12 [s/(50 g)] kept being ranked in the top three for all the flow tests. So this powder is recommended for use in additive manufacturing. In addition, one other powder that failed in flowmetertests was consistently placed towards the bottom of all tests. / Metalladditiv tillverkningsteknik används i stor utsträckning inom flyg­, fordons­, och medicinsk industri. Selektiv lasersmältning är en typ av metalladditiv tillverknings­ process där pulver konsolideras lager för lager i ett fördefinierat mönster med hjälp av en laserstråle för att skapa en komponent. Pulveregenskaper är avgörande för att påverka kvaliteten på den tryckta komponenten. Metallpulver måste ligga inom ett visst storleksintervall och ha en sfärisk morfologi för att uppvisa ett bra flödes­, och dispersionsbeteende under den additiva tillverkningsprocessen. Det är nödvändigt att förstå flödesbeteendet för att förstå pulvrets prestanda under processen. Studien undersöker effekten av pulveregenskaper som partikelform, partikelstorlek och storleksfördelning på flödesbeteendet hos stålpulver. Pulverkarakteriseringstekniker som är relevanta för pulvren för tillsatstillverkning identifieras och utförs. Siktanalysen misslyckas med att införliva partikelformen under partikelstorleksupp­ skattningen. Optisk mikroskopi är inte en robust metod för att bestämma partikelformen. Pulvrets flödesbeteende studerades med hjälp av flödesmätartest, reometrisk analys och statisk vinkel på vilotest. Reometrisk analys är mer känslig för mindre variationer i flödesbeteendet jämfört med flödesmätartester. Det statiska vilovinkeltestet misslyckas med att införliva de påfrestningar som pulvret upplever under processen och kan användas för att få en grov uppskattning av pulverflödesbeteendet i termer av kohesion. Av de sju stålpulver som undersöktes rankades samma pulver med flödestiden 12 [s/(50 g)] i topp tre för alla flödestester. Så detta pulver rekommenderas för användning i additiv tillverkning. Dessutom placerades ett annat pulver som misslyckades i flödesmätartester konsekvent mot botten av alla tester.

Additive manufacturing with the use of metals have been a steadily increasing field, being able to create products with a higher degree of complexity than traditional processing techniques. SLM is a popular AM process that uses metal powder as feedstock, and one of the key components of this process is the powder rheology. In recent years the use of a powder rheometer has been shown to be a good way of evaluating powder rheology of metal powders used within AM processes, but there is a clear lack of standardised tests and methods. In this study the Compressibility, Permeability, and Aeration test for 316L powders used within SLM processes was evaluated with a FT4 powder rheometer. 15 powders that had undergone printing in SLM processes were studied. This showed that the compressibility test had the best results in differentiating the bad preforming powders, thereafter the Aeration test. The Permeability test wasn’t able to differentiate the bad preforming powders with the settings used. This study demonstrates that some tests with a powder rheometer can evaluate the powder performance in SLM processes, but further research to evaluate the tests and standardise the settings are needed for clearer test results. / Additiv tillverkning med metall är ett område som stadigt ökat i intresse, främst på grund av möjligheten att producera produkter med en mycket högre grad av komplexitet i jämförelse med traditionella processmetoder. SLM är en populär AM process som använder metallpulver som råmaterial, och en av huvudkomponenterna för processen är pulvrets reologi. Under senare år har användningen av en pulver-reometer visat sig ett bra sätt att utvärdera pulver-reologi för metallpulver som används inom AM, men det finns en klar avsaknad av standardiserade test och metoder. I denna studie utvärderas Kompressabilitet, Permeabilitet, och Aerabilitet testen för 316L pulver producerade för SLM processer med en FT4 pulver-reometer. 15 pulver som genomgått SLM printing studerades. Studien visar att kompressabilitets testets utfall bäst överensstämde med det som setts under SLM processen, och bäst urskilde pulvren som fungerat dåligt att printa med, därefter Aerations testet. Permeabilitets testet kunde inte urskilja de sämre pulvren med de inställningarna som användes. Studien demonstrerar att vissa test och index samlade med ett pulver reometer är mer tillförlitliga än andra när det gäller för att utvärdera pulvrets prestanda inom SLM processer, men vidare forskning och studier krävs för att utvärdera testen och standardisera inställningar baserat på pulvret som testas.

Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung der Methode der Laserinduzierten Plasmaspektroskopie (LIPS) zur Bestimmung des Aufmischungsgrades ([Eta]) in durch Laserstrahl-Präzisionsauftragschweißen (LAP) hergestellten Beschichtungen. Grund- und Zusatzwerkstoff müssen sich hierbei in ihrer Elementzusammensetzung voneinander unterscheiden. Als Substratmaterial diente unlegierter Baustahl, als Zusatzwerkstoff wurde Stellit 21 eingesetzt. [Eta] stellt eine wichtige Qualitätskenngröße dar und kann nach vorheriger Kalibrierung des LIPS-Messsystems sowohl offline als auch online detektiert werden. Der Aufmischungsgrad korreliert mit dem detektierten Emissionslinienverhältnis. Im untersuchten Fall besteht in guter Näherung ein linearer Zusammenhang zwischen beiden Größen. Die Vorteile von LIPS gegenüber anderen Verfahren liegen insbesondere in der berührungslosen Analyse und der entfallenden Probenpräparation. Prinzipiell lässt sich das Vorgehen auf andere Werkstoffsysteme übertragen. Das verwendete LISP-Messsystem kann in den Fertigungsprozess integriert werden und steht als Technologiemodul für eine qualifizierte Überwachung des Aufmischungsgrades beim LAP-Prozess zur Verfügung.