Investigation of ultrashort pulse laser material processing of low- and high-entropy alloys using an ultrafast temperature and density sensors

Die Lasermaterialbearbeitung ist derzeit der größte Anwendungsbereich für moderne Lasersysteme, noch vor Telekommunikation, Medizin und Grundlagenforschung. Besonders die frei gestaltbare Bearbeitung von Werkstoffen mit einer Vielzahl von Fertigungsverfahren hat den Laser in den letzten Jahrzehnten zu einem unverzichtbar flexiblen Werkzeug gemacht. Insbesondere die Ultrakurzpuls-Lasermaterialbearbeitung von Metallen und deren Legierungen zeigt aufgrund ihrer hohen Präzision und ihres breiten Anwendungsspektrums ein enormes Potenzial für die Industrie 4.0.

Die Optimierung der Prozessparameter im Hinblick auf Qualität und Energieeffizienz sowie Ressourcenschonung ist hierbei entscheidend. Aufgrund stark divergierender Materialeigenschaften und Lasersystemparameter lässt sich jedoch bisher kein universelles Prozessfenster ableiten. Dies gilt insbesondere für neuartige Legierungen wie z. B. Hochentropie-Legierungen, die aufgrund steigender technischer Anforderungen zunehmend an Bedeutung gewinnen. An diesem Punkt setzt dieses Vorhaben an.

Ziel des Projektes ist die Erforschung eines quantitativen experimentell validierten Modells der Ultrakurzpuls- Lasermaterialbearbeitung von Repräsentanten diverser eisen- und nickelhaltiger Legierungen von 3d-Übergangsmetallen, welche von konventionellen Edelstählen bis hin zu modernen Hochentropie-Legierungen reichen. Dabei soll ein tiefgreifendes Verständnis der Prozessdynamik über ein experimentell validiertes Modell erarbeitet werden, was nur über eine enge Verzahnung von Theorie und Experimenten erreicht werden kann.

Hierbei soll das neuartige Zusammenspiel aus ultraschnellen zeitaufgelösten ellipsometrischen und interferometrischen Pump- Probe-Experimenten sowie theoretischen ab-initio-Modellierungen quantitative Rückschlüsse auf die während der Prozessdynamik sich ändernden thermodynamischen Zustandsgrößen ermöglichen. Insbesondere sollen durch das experimentell validierte Modell zeitabhängige Observablen, wie transiente Reflexion, Absorption und Oberflächenaufwölbung, und auch solche im Endzustand, wie z.B. Ablationsschwellen und -effizienzen, vorhergesagt werden können. Es wird erwartet, dass die entwickelte Methodik, bezeichnet als ultraschneller Temperatur- und Dichtesensor, sowie die daraus erzielten Erkenntnisse einen wichtigen Beitrag zum allgemeinen quantitativen Verständnis der Ultrakurzpuls-Lasermaterialbearbeitung moderner Legierungen leisten. Zudem werden neuartige Erkenntnisse zu Materialparametern dieser Legierungen in exotischen Zuständen erwartet, welche bis dato unerforscht blieben.