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Intermetallische Werkstoffe werden für Hochtemperaturanwendungen immer wichtiger. Insbesondere Aluminide mit hohen spezifischen Festigkeiten haben ein großes Potenzial für Leichtbauanwendungen, z. B. werden Titanaluminide bereits in Flugzeugturbinen eingesetzt. Ökonomische und ökologische Aspekte sind die treibende Kraft zur Substitution konventioneller Legierungen, z. B. Nickelbasislegierungen, die eine wesentlich höhere Kostenintensität und ein höheres Gewichts-Festigkeits-Verhältnis aufweisen. Insbesondere Eisenaluminide (FeAl) sind aufgrund guter mechanischer Eigenschaften und der guten Verfügbarkeit der wichtigsten Hauptlegierungselemente attraktiv. Speziell entwickelte FeAl-Legierungskonzepte ermöglichen eine wirtschaftliche Produktion im Kokillenguss, bei der die Erstarrung der Schmelze spezielle komplexe Gefüge ermöglicht, um die hohen thermischen und mechanischen Eigenschaften durch eine hohe Anzahl von harten Ausscheidungen entlang der Korngrenzen zu erreichen. Zu diesen Eigenschaften gehört aber auch, dass notwendige Bearbeitungsschritte, wie das Schlichtfräsen, zur Erzielung komplexer Endkonturen, zu vorzeitigem Werkzeugverschleiß und geringen Oberflächengüten führen. Für das finale FeAl-Bauteil ist eine hohe Oberflächenintegrität insbesondere in sicherheitsrelevanten Anwendungen in der Luftfahrt oder im Energiebereich erforderlich. Aus diesem Grund konzentriert sich die vorliegende Untersuchung auf die Mechanismen und die Minimierung des Werkzeugverschleißes und die Auswirkungen auf die Oberfläche eines in Kokille vergossenen FeAl-Bauteils. Neben den Optimierungen des Fräsprozesses und der Werkzeugparameter (Geometrie, Material) wird ein modernes hybrides Bearbeitungsverfahren, das ultra-schallunterstützte Fräsen (USAM), eingesetzt, bei dem eine Überlagerung mit einer hochfrequenten Schwingung des rotierenden Werkzeugs erzeugt wird. Analysen der Kräfte und Temperaturen im Fräsprozess, der Verschleißerscheinungen am Werkzeug und der Oberflächenintegrität zeigen positive Auswirkungen durch USAM. Darüber hinaus wird eine valide Grundlage für die Optimierung des Werkzeugs und des Fräsprozesses geschaffen, um eine hohe Oberflächenintegrität (z. B. Verringerung von Zugeigenspannungen und Defekten) und eine längere Werkzeuglebensdauer zu gewährleisten, die zukünftig eine wirtschaftliche Herstellung von FeAl-Bauteilen ermöglicht.
Wear behavior of innovative niobium carbide cutting tools in ultrasonic-assisted finishing milling
(2023)
The resources of niobium exceed the ones of tungsten by an order of magnitude. With 92%, Brazil is today the main global producer of niobium. Hence, niobium carbides (NbC) are a sustainable and economic alternative to conventionally used cutting materials, especially tungsten carbides (WC). Moreover, NbC can be used in Ni alloy matrix and thus offer significant advantages by substituting WC in Co matrix as cutting materials in terms of health risks and raw material price and supply risk. Based on recent studies which found an increased performance of NbC compared to WC cutting tools in machining higher strength steels, the composition NbC12Ni4Mo4VC was chosen for finish machining of a high-strength steel S960QL in this study. The experiments were carried out on an ultrasonic-assisted 5-axis milling machine using NbC tools specially made to benchmark them with commercially available coated WC cutting inserts. In addition, the influence of a coating system for the NbC inserts is tested and evaluated for its performance in the cutting process. Tool wear and cutting force analyses are implied to identify optimal parameter combinations as well as tool properties for the novel NbC tool. Together with the oscillation of ultrasonic-assisted milling, the loads on the component surface and the tool can be reduced and the wear behavior of the novel NbC tool can be refined. These milling tests are accompanied by standardized wear tests, i.e., pin-on-disc, between the aforementioned material combinations, and the results are correlated with each other. Finally, the behavior when using hard-to-cut materials such as Ni alloys, or innovative materials such as iron aluminide is also being tested, as these are constantly in the focus of machining optimization. With this strategy, comprehensive knowledge is achievable for future efficient application of NbC for milling tools, which have already been researched for decades using WC.
Die Verwendung hochfester Feinkornbaustähle hat für viele Anwendungen des Stahlbaus ein großes Potenzial für gewichtsoptimierte, effiziente Strukturen mit ho-her mechanischer Beanspruchbarkeit. Weitere Zugewinne an Effizienz sind durch generative Fertigungsschritte sowie bionische Bauweisen erzielbar. Hierzu stehen bereits kommerzielle hochfeste drahtförmige Zusatzwerkstoffe für formgebendes MSG-Schweißen zur Verfügung. Dem Einsatz stehen noch fehlende quantitative Aussagen zu den fertigungsbedingten Beanspruchungen und der Bauteilsicherheit während Herstellung und Betrieb im Wege. Dies betrifft insbesondere prozess- sowie materialbedingte Einflüsse und die konstruktive Schrumpfbehinderung verbunden mit der Ausbildung hoher Zugeigenspannungen und damit zusammenhängenden Kaltrissbildung.
Hierfür wurden im Projekt detaillierte und anwenderbezogene Kenntnisse zu den komplexen Wechselwirkungen zwischen Schweißprozess und Wärmeführung während der Fertigung, der metallurgischen Vorgänge und insbesondere der vorliegenden konstruktiven Einflüsse auf die entstehenden Eigenspannungen erarbeitet, um ein frühzeitiges Bauteilversagen aufgrund eines hohen fertigungsbedingten Beanspruchungsniveaus bis hin zu einer Rissbildung während der Fertigung sicher zu vermeiden. Gleichzeitig wurden die Einflüsse auf die mechanisch-technologischen Gütewerte systematisch analysiert. Zudem wurden die Auswirkungen trennender Verfahren durch Entfernen der Substratplatte sowie durch die spanende Bearbeitung der Vorformlinge zu Endbauteilgeometrien geklärt, da diese unmittelbar den Eigenspannungszustand beeinflussen und deutlichen Verzug der Bauteile auslösen.
Für das generative Schweißen konnten Verarbeitungsempfehlungen sowie Normenvorgaben erarbeitet werden. Dies hilft insbesondere KMU eine wirtschaftliche, beanspruchungsgerechte und risssichere generative Fertigung von Bauteilen aus hochfesten Feinkornbaustählen zu ermöglichen.
Wire arc additive manufacturing (WAAM) enables the efficient production of weight-optimized modern engineering structures. Further increases in efficiency can be achieved by using high-strength structural steels. Commercial welding consumables for WAAM are already available on the market. Lack of knowledge and guidelines regarding welding residual stress and component safety during production and operation leads to severely limited use for industry applications. The sensitive microstructure of high-strength steels carries a high risk of cold cracking; therefore, residual stresses play a crucial role. For this reason, the influences of the material, the WAAM process, and the design on the formation of residual stresses and the risk of cold cracking are being investigated. The material used has a yield strength of over 800 MPa. This strength is adjusted via solid solution strengthening and a martensitic phase transformation. The volume expansion associated with martensite formation has a significant influence on the residual stresses. The focus of the present investigation is on the additive welding parameters and component design on their influence on hardness and residual stresses, which are analyzed by means of X-ray diffraction (XRD). Reference specimens (hollow cuboids) are welded fully automated with a systematic variation of heat control and design. Welding parameters and AM geometry are correlated with the resulting microstructure, hardness, and residual stress state. Increased heat input leads to lower tensile residual stresses which causes unfavorable microstructure and mechanical properties. The component design affects heat dissipation conditions and the intensity of restraint during welding and has a significant influence on the residual stress.
Welded joints show large variation of the weld toe geometry along the weld seam, which is one important reason for the comparably large scatter in fatigue life. Therefore, it is crucial to take the local geometry at the weld toe into account, to reduce the conservatism in fatigue assessment of welded joints. This study is based on the IBESS procedure for the calculation of the fatigue strength, whereby the evaluation of local geometrical parameters is carried out by means of 3D surface scans. The approach is validated against 26 fatigue test series. The fatigue life is in general overpredicted, whereas good agreement is achieved for high stress ratio (R = 0.5). A sensitivity analysis conducted with IBESS shows that weld toe radii ρ < 2 mm and flank angle α < 30° have a significant influence on the calculated fatigue strength. In contrast to this, no strong correlation between ρ and the fatigue strength was determined experimentally in this study.
Bei der Montage von Stahlkonstruktionen kommt es trotz anforderungsgerechter schweißtechnischer Fertigung vereinzelt zur Detektion von unzulässigen Unregelmäßigkeiten im Schweißbereich. Die Verarbeitungsregelwerke empfehlen das lokale thermische Ausfugen betroffener Bereiche und erneutes Schweißen, geben aber aufgrund fehlender wissenschaftlich fundierter Untersuchungen kaum Informationen zu adäquaten Reparaturkonzepten. Dies betrifft insbesondere die Berücksichtigung und Optimierung resultierender schweißbedingter Beanspruchungen durch hohe Schrumpfbehinderungen der Ausfugenuten sowie der Gefügedegradation angrenzender Bereiche durch das Ausfugen und erneute Schweißen. Gerade bei hochfesten Stahlgüten ergeben sich dadurch häufig reduzierte mechanische Eigenschaften und zusätzliche schweißbedingte Beanspruchungen sowie erneut auftretende Nahtdefekte.
Deshalb wurden für das Forschungsvorhaben systematische bauteilrelevante Untersuchungen der schweißbedingten Beanspruchungen und Gefügeveränderungen reparierter Schweißnähte in Abhängigkeit von der Schrumpfbehinderung und Wärmeführung beim Schweißen und Ausfugen sowie von der Reparaturzyklenanzahl durchgeführt. Die Untersuchungsergebnisse zeigen auf, welche Faktoren sich für eine Beanspruchungsreduzierung auch bei hohen Einspannbedingungen eignen und wie eine Degradation des Gefüges und der Eigenschaften der Schweißnaht sowie wiederholte Schweißnahtdefekte in der Reparaturnaht vermieden werden können. Insbesondere können mittels adaptiver Wärmeführung geringere schweißbedingte Beanspruchungen in den Reparaturschweißnähten bewirkt werden. Bauteilversuche sichern zudem die Übertragbarkeit der Schweißexperimente in die Praxis ab.
Aufgrund der Erkenntnisse konnten Empfehlungen für beanspruchungs- und werkstoffgerechte Reparaturkonzepte abgeleitet und ausgesprochen werden. Die Analysen wurden an den hochfesten Stahlgüten S500MLO für den Offshore-Bereich und S960QL für den Mobilkranbau realisiert. Damit wird insbesondere der wirtschaftlichen Fertigung hocheffizienter Konstruktionen für Windenergieanlagen und hochfester Strukturen, die für deren Errichtung notwendig sind, Rechnung getragen.
So bieten die Forschungsergebnisse eine wesentliche Grundlage für die Weiterentwicklung entsprechender Normen und Regelwerke. Damit können letztlich Schäden und zumeist teure Nacharbeiten verhindert und eine verbesserte Ausnutzung des hohen Festigkeitspotentials hochfester Stähle erreicht werden. Gerade auch KMU können mit Blick auf die Kosten für Fertigung, Schweißarbeit und Material von den Erkenntnissen beim Einsatz hochfester Stähle, die für eine effiziente Realisierung der Energiewende in Deutschland notwendig sind, profitieren.
For a significant increase in the strength of high-strength fine-grained structural steels with a nominal yield strength ≥690 MPa, the addition of microalloying elements such as Nb and Ti is required. The standard specifications for the chemical composition of these steels (e.g., in EN 10025-6) often only give the manufacturer limit contents to achieve the defined properties. The effect of the alloying elements in the heat affected zone (HAZ) is sometimes completely contrary.
This makes it difficult to adequately predict the batch dependency regarding weldability and the load-bearing behaviour of the welded joint. Three different micro-alloyed steels of the grade S690QL were produced on a laboratory scale, focusing on different Nb and Ti contents. To investigate the tempering effect, these were gas metal arc welded in three layers. In addition to metallographic investigations of individual HAZ areas, thermodynamic phase calculations were carried out using Thermo-Calc, following variations in the chemical composition. This provides an understanding of phase transformation, precipitation growth, and dissolution during welding as a function of temperature and cooling conditions. The results show
a divergent metallurgical behaviour in the HAZ of the three different micro-alloyed steels. Thereby, the Ti micro-alloyed grade showed a strong softening of the HAZ in contrast to the Nb micro-alloyed grade. This can be attributed to a contrary precipitation behaviour during welding.
Mikrolegierungselementen, wie Nb und Ti sind für eine signifikante Festigkeitssteigerung von vergüteten, hochfesten Feinkornbaustählen mit einer Nominalstreckgrenze ≥ 690 MPa unerlässlich. Normvorgaben zur chemischen Zusammensetzung dieser Stähle geben zur Erzielung der vorgeschriebenen Eigenschaften dabei oft nur Grenzgehalte für die Hersteller vor. Die Wirkung der Mikrolegierungselemente bzw. ihrer Karbide und/oder Nitride ist teilweise komplett konträr, insbesondere bei Auflösung und Wiederausscheidung in der WEZ bei identischem Schweißzusatz. Somit wird eine adäquate Vorhersage der Chargenabhängigkeit hinsichtlich der Schweißeignung und des Tragverhaltens der Schweißverbindung erschwert. Eine unerwünschte Eigenschaft ist dabei die Erweichung der WEZ, wie auch u.U. der gegenteilige Effekt der Aufhärtung.
Vor diesem Hintergrund werden im Rahmen eines DFG-Vorhabens systematisch Mikrolegierungs-routen mit variierenden Ti- und Nb-Gehalten des hochfesten und vergüteten Feinkornbaustahls S690QL untersucht. Dazu wird das MAG-Schweißen mit modifizierten Sprühlichtbogen verwendet, welches durch hohe Abschmelzleistung gekennzeichnet ist und schmalere Nahtöffnungswinkel (α = 30°) ermöglicht. An Dreilagen-Schweißungen wird der Effekt der metallurgischen Zusammensetzung in Kombination mit hoher Wärmeeinwirkung auf die Ausbildung einer kritischen WEZ-Gefügezone mit Erweichung und/oder exzessiver Aufhärtung untersucht. Ein besonderes Augenmerk wird auf die Phasenumwandlungen und das Ausscheidungsverhalten im Gefüge der Wärmeeinflusszone gelegt. Neben umfangreichen metallographischen Untersuchungen einzelner WEZ-Bereiche wurden, unter Variation der chemischen Zusammensetzung,
thermodynamische Phasenberechnungen mittels Thermo-Calc durchgeführt. Hierdurch wird ein Verständnis zur Phasentransformation und Ausscheidungswachstum und -auflösung während des Schweißens in Abhängigkeit von Temperatur und Abkühlbedingungen geschaffen. Das Ziel ist es, den Einfluss der Wärmeeinwirkung auf die Gefügeausbildung in der WEZ und dessen mechanischer Eigenschaften zu analysieren. Insbesondere wird hier auf die Auswirkung der unterschiedlichen Mikrolegierungskonzepte (Ti oder Nb) geachtet.
Mikrolegierungselemente, wie Nb und Ti, sind für die signifikante Festigkeitssteigerung von vergüteten, hochfesten Feinkornbaustählen mit einer Nominalstreckgrenze ≥ 690 MPa unerlässlich. Normvorgaben zur chemischen Zusammensetzung geben dabei nur obere Grenzwerte für die Hersteller vor. Weiterhin wirken sich bereits kleine Abweichungen in der Legierungsroute teilweise drastisch auf die mechanischen Eigenschaften aus. Somit wird eine adäquate Vorhersage der Schweißeignung und der Integrität der Schweißverbindung aufgrund der variierenden Mikrogefüge erschwert bis unmöglich. Unerwünschte Nebeneffekte sind die mögliche Erweichung der Wärmeeinflusszone (WEZ) als auch der gegenteilige Effekt der Aufhärtung. Vor diesem Hintergrund werden erstmals systematisch die unterschiedlichen Mikrolegierungsrouten mit variierenden Ti und Nb-Gehalten an Versuchsschmelzen untersucht. Die Stahlgüte S690QL bildet dabei die Grundlage der chemischen Zusammensetzung sowie der entsprechenden Wärmebehandlung. Zur Untersuchung der jeweiligen Schweißeignung wurden Dreilagen-Schweißungen mittels moderner MAG-Hochleistungsschweißprozesse durchgeführt und kritische Gefügebereiche mit hoher Erweichung/Aufhärtung identifiziert. Der Fokus der analytischen Betrachtungen lag hier auf der Identifikation der Phasenumwandlungen beim Abkühlen und auf dem metallurgischen Ausscheidungsverhalten. Zusätzlich wurden isotherme und nicht-isotherme Phasenberechnungen mit der Software Thermo-Calc durchgeführt. Mechanisch-technologische Untersuchungen zur Kerbschlagzähigkeit mittels Kerbschlagbiegeversuchen durchgeführt wurden, bestätigen dabei die Ergebnisse der thermodynamischen Simulation bezüglich des Ausscheidungsverhaltens während der Temperatur-Zeit Schweißzyklen. Daraus lässt sich der Einfluss der Wärmeeinwirkung beim Schweißen auf die Gefügeausbildung in der WEZ und der korrespondierenden mechanischen Eigenschaften qualitativ beschreiben.
Für eine signifikante Festigkeitssteigerung von vergüteten, hochfesten Feinkornbaustäh-len mit einer Nominalstreckgrenze ≥ 690 MPa, ist die Zugabe von Mikrolegierungselementen, wie Nb und Ti, unerlässlich. Die Normvorgaben zur chemischen Zusammensetzung dieser Stähle (bspw. in DIN EN 10025-6) geben zur Erzielung der vorgeschriebenen Eigenschaften dabei oft nur Grenzgehalte für die Hersteller vor. Die Wirkung der Legierungselemente in der WEZ ist teilweise komplett konträr. Somit wird eine adäquate Vorhersage der Chargenabhängigkeit hinsichtlich der Schweißeignung und des Tragver-haltens der Schweißverbindung erschwert. Neben metallographischen Untersuchungen einzelner WEZ-Bereiche wurden unter Variation der chemischen Zusammensetzung, thermodynamische Phasenberech-nungen mittels ThermoCalc durchgeführt. Hierdurch wird ein Verständnis zur Phasentransformation, Aus-scheidungswachstum und -auflösung während des Schweißens in Abhängigkeit von Temperatur und Ab-kühlbedingungen geschaffen.