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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.
Offshore-Windenergieanlagen erfordern Gründungskonzepte aus unterpulver-(UP-)geschweißten Dickblechen (bspw. der Güte S420ML). Während der Schweißfertigung kann eine zeitverzögerte wasserstoffunterstützte Kaltrissbildung auftreten, deren Bewertung aufgrund der Bauteilgröße von Offshore-Strukturen sehr komplex ist. Deswegen wurde eine bauteilähnliche Geometrie (Mock-Up) entwickelt, um reale Steifigkeitsverhältnisse auf den Labormaßstab zu übertragen. Zusätzliche Versteifungen simulieren die Wirkung einer Einspannung bzw. Schrumpfbehinderung der Schweißnaht. Über die Verwendung von Schweißpulvern mit definierter Feuchte wurden zudem ein Extremszenario der Wasserstoffaufnahme simuliert. Entsprechend der vorgegebenen Mindestwartezeit für die ZfP von bis zu 48 h wurde die Schweißnaht zerstörungsfrei mit Phased-Array-Ultraschall-Prüfung (PAUT) geprüft und die Eigenspannungen über Röntgendiffraktometrie (XRD) bestimmt. Zusätzlich wurde die Wasserstoffverteilung in der Schweißverbindung numerisch simuliert. Außer zulässigen Defekten (wie Poren), wurde keine verzögerte Kaltrissbildung in den Mock-Ups festgestellt, was auf hohe Rissbeständigkeit hindeutet.
Offshore-Windenergieanlagen erfordern Gründungskonzepte aus unterpulver-(UP-)geschweißten Dickblechen (bspw. der Güte S420ML). Während der Schweißfertigung kann eine zeitverzögerte wasserstoffunterstützte Kaltrissbildung auftreten, deren Bewertung aufgrund der Bauteilgröße von Offshore-Strukturen sehr komplex ist. Deswegen wurde eine bauteilähnliche Geometrie (Mock-Up) entwickelt, um reale Steifigkeitsverhältnisse auf den Labormaßstab zu übertragen. Zusätzliche Versteifungen simulieren die Wirkung einer Einspannung bzw. Schrumpfbehinderung der Schweißnaht. Über die Verwendung von Schweißpulvern mit definierter Feuchte wurden zudem ein Extremszenario der Wasserstoffaufnahme simuliert. Entsprechend der vorgegebenen Mindestwartezeit für die ZfP von bis zu 48 h wurde die Schweißnaht zerstörungsfrei mit Phased-Array-Ultraschall-Prüfung (PAUT) geprüft und die Eigenspannungen über Röntgendiffraktometrie (XRD) bestimmt. Zusätzlich wurde die Wasserstoffverteilung in der Schweißverbindung numerisch simuliert. Außer zulässigen Defekten (wie Poren), wurde keine verzögerte Kaltrissbildung in den Mock-Ups festgestellt, was auf hohe Rissbeständigkeit hindeutet.
Die vorliegende Präsentation fasst die Ergebnisse von drei laufenden bzw. beendeten AiF/IGF-Projekten zusammen, die über die Forschungsvereinigung Stahlanwendung FOSTA e.V. an der BAM bearbeitet wurden zum Thema: Bewertung und Vermeidung von schweißverarbeitungsbedingten Rissen in hochfesten Baustählen.
Multielement-Legierungen (MPEA - Multiple Principal Element Alloys), gemeinhin und partiell fälschlicherweise auch als Hochentropielegierungen bezeichnet) stellen eine neue Klasse von Werkstoffen dar, die aus mindestens drei Legierungselementen mit jeweils 5 bis 35 Atom-% bestehen. Somit unterscheidet sich dieses Legierungskonzept fundamental von konventionellen Werkstoffen wie Stahl oder Nickellegierungen. Hierzu werden die Legierungselemente gezielt ausgewählt und die Mikrostrukturen ein- und zum Teil auch mehrphasig eingestellt. Das Ziel ist dabei, hochinnovative MPEA mit individuell einstellbaren Eigenschaften für die industrielle Anwendung zu identifizieren. Dabei werden insbesondere Zielkonflikte, wie bspw. der Trade-off zwischen Festigkeit und Duktilität bei konventionellen Stählen, überwunden. Insbesondere die hohe mechanische Festigkeit bei höchster Korrosionsbeständigkeit sind bei bestimmten Legierungssystemen von hohem Interesse. Hier kann u.a. die Substitution klassischer hochlegierter Stähle oder Ni-Basislegierungen perspektivisch erfolgen. In den letzten 20 Jahren lag der Fokus jedoch auf der reinen Materialsynthese. Mit der Zunahme verfügbarer Werkstoffquantitäten, stehen Verarbeitungsfragen, wie werkstoff- und beanspruchungsgerechte Füge- bzw. Schweißverfahren jetzt im Mittelpunkt. Der Schweißeignung von MPEA wurde bisher nur äußert wenig Aufmerksamkeit zuteil. Erfahrungen zu Mischverbindungen
(DMWs - Dissimilar Metal Welds) fehlen dabei vollständig, sind jedoch essenziell für die Anwendung dieser Werkstoffe in Verbindung mit konventionellen Werkstoffen. Die vorliegende Studie präsentiert erstmals im deutschen Sprachraum, die umfassenden experimentellen Ergebnisse zur Schweißeignung von MPEA-Mischverbindungen und der resultierenden Mikrostruktur. Dazu wurden zwei äquiatomare MPEAs in Form einer Co20Cr20Fe20Mn20Ni20 (Hochentropie-) und Co33.3Cr33.3Ni33.3 (Mediumentropielegierung) mittels WIG und Rührreibschweißen mit einem konventionellen, korrosionsbeständigem Cr-Ni-Stahl AISI 304 (1.4301 bzw. X5CrNi18-10) gefügt. Die erstmals untersuchten DMWs resultierten dabei in sehr interessanten Mikrostrukturen, mechanisch-technologische Eigenschaften wurden durch instrumentierte Zugversuche gewonnen, die gleichzeitig der Ermittlung der lokalen Verformung im Schweißnahtbereich dienten (durch Verwendung der berührungslosen DIC-Digital Image Correlation-Technik). Dabei zeigt sich für beide Schweißverfahren eine Erweichung in der Wärmeeinflusszone (WEZ) der MPEAs sowie eine geringfügig verminderte Zugfestigkeit, bei einer deutlichen Abnahme der Bruchdehnung. Durch die Experimente konnte der prinzipielle Nachweis der Schweißeignung der MPEAs für DMWs mit konventionellen Werkstoffen erbracht werden, die auch eine dementsprechende mechanische Beanspruchbarkeit ermöglichen. Dies ermöglicht weitere Betrachtungen zur Anwendung dieser innovativen Werkstoffe.
Offshore wind turbines continuously increase in size and weight and demand adequate offshore foundations concepts like monopiles, tripods, or jackets. These components are typically constructed using submerged arc welding (SAW) with high-strength thick steel plates like the S420ML. During welding, the occurrence of delayed hydrogen-assisted cracking (HAC) must be anticipated. HAC is a critical combination of the local hydrogen concentration within a susceptible microstructure under certain mechanical load, i.e., the occurring (welding) residual stresses. The welding sequence of the thick-walled plates complicates the residual stress distribution due to the necessary repeated thermal cycling, i.e., welding seam/layer deposition to fill the joint. For that purpose, SAW with two-wire-technique was used to weld a specially designed and prototype-like mock-up of a real component with a thickness of 50 mm, filled with over 20 passes and a seam length of 1000 mm. Additional welded stiffeners simulated the effect of a high restraint, to achieve critical HAC conditions. The necessity of a minimum waiting time (MWT) before the NDT can be conducted (to exclude HAC) was critically verified by the application of ultrasonic testing of the welded joint at different time-steps of the NDT of up to 48 h after the completion welding. The residual stresses were determined by a robot XRD goniometer. Tensile residual stresses up to the yield limit are found both in the weld metal and in the heat-affected zone. Numerical modeling allowed the qualitative estimation of the hydrogen diffusion in the weld. No noticeable HAC occurrence was identified and confirms the high cracking resistance of the investigated material. Finally, the applicability of the MWT concept should be critically discussed.
Offshore wind turbines (OWT) are a key factor of the sustainable energy generation of tomorrow. The continuously increasing installation depths and weight of the OWTs require suitable foundation concepts like monopiles or tripods. Typically, mild steels like the S420ML are used with plate thicknesses up to several hundreds of mm causing high restraints in the weld joints. Due to the large plate thickness, submerged arc welding (SAW) with multiple wires is the state-of-the-art welding procedure. As a result of the very high stiffness of the construction, a certain susceptibility for time-delayed hydrogen-assisted cracking (HAC) may occur. The evaluation of crack susceptibility is very complex due to the component size and stiffness of real offshore structures. For this purpose, a near-component test geometry was developed to transfer the real stiffness conditions to laboratory (i.e., workshop) scale. The investigated mock-up, weighing 350 kg, comprised heavy plates (thickness 50 mm, seam length 1,000 m) joined by a 22-pass submerged arc weld. Additional stiffeners simulated the effect of high restraint or shrinkage restraint of the weld. Extreme scenarios of hydrogen absorption during welding were simulated via the use of welding fluxes in dry (HD < 5 ml/100g Fe) and moisture condition (HD > 15 ml/100g Fe). The residual stresses were determined by a robot X-ray diffractometer. Areas of critical tensile residual stress (at the level of the yield strength) were found in the weld metal and heat affected zone. To identify possible delayed cracking, the welds were tested by phased array ultrasonic testing (PAUT) after 48 h. Summarized, no significant occurrence of HAC was detected, indicating the high crack resistance of the welded joint, i.e., a suitable combination of base material, welding consumable and welding parameters.
Multi-principal element alloys (MPEAs) are innovative materials that have attracted extensive research attention within the last decade. MPEAs are characterized by a solid solution of equiatomic metallic elements. Depending on the number of elements, they are also referred as high entropy alloys (HEAs with n ≥ 4 elements like CoCrFeMnNi) and medium-entropy alloys (MEA with n = 3 elements CoCrNi). Depending on the alloy concept, MPEAs show exceptional properties in terms of mechanical performance or corrosion resistance at extreme environments. In that connection, hydrogen and its challenges for the most metallic materials gets more and more important. MPEAs are candidate materials for the substitution of conventional materials like austenitic stainless steels e.g., at very high-pressure up to 1000 bar. Those pressures are typically reached in valves or compressors for refueling of tanks with operational pressure of 700 bar. So far, the susceptibility of HEA/MEAs to hydrogen assisted cracking (if any) and the especially the underlying hydrogen uptake and diffusion was not within the scientific scope and not investigated in detail yet. For that reason, we focused on the hydrogen absorption the characterization of the hydrogen diffusion and trapping at elevated temperatures in a CoCrFeMnNi-HEA (each element with 20 at.-%) and CoCrNi-MEA, each element with 33.3 at.-%). As reference grade, the commercially available austenitic stainless steel AISI 316L was investigated. High-pressure hydrogen charging was conducted at different pressures in autoclave environment with maximum value of 1,000 bar. Thermal desorption analysis (TDA) via carrier gas hot extraction with coupled mass spectrometry was used with a max. heating rate of 0.5 K/s up to 650 °C. The measured desorption spectra of the different samples were deconvoluted into a defined number of individual peaks. The individually calculated peak temperatures allowed the definition of activation energies for predominant trap sites in the respective materials as well as the percentage share of the totally absorbed hydrogen concentration. The results present for the first time the complex interaction of both MPEAs and high-pressure hydrogen charging. A deconvolution of four peaks was selected and a main desorption peak was identified the dominant hydrogen trap containing the biggest share of the absorbed hydrogen concentration. The chemical composition an austenitic phase of both MPEAs is responsible for delayed hydrogen diffusion and strong, but mostly reversible, trapping. The comparison with the 316L samples showed significantly higher activation energies in the MPEAs, whereas hydrogen was also trapped at very high extraction temperatures. The absorbed maximum hydrogen concentration at 1,000 bar was 130 ppm for the CoCrFeMnNi-HEA, 50 ppm for the CoCrNi-MEA and 80 ppm for the 316L. It is interesting that the CoCrFeMnNi-HEA has obviously a way higher trapping capability compared to the conventional austenitic 316L, which could be a major advantage in terms of resistance to hydrogen assisted cracking.
Dissimilar metal TIG weld joints of multiple principal element alloys (MPEA) to austenitic steel 304
(2023)
Multi-element alloys (MPEA - Multiple Principal Element Alloys) represent a new class of materials consisting of at least three alloying elements, each with 5 to 35 atomic %. This material class includes high-entropy alloys (HEA, with n ≥ 4 elements). The underlying alloying concept differs fundamentally from conventional materials such as the Fe-based steel. For this purpose, the alloying elements are specifically selected, and the microstructures are adjusted in a single-phase and, in some cases, multi-phase manner. The aim is to identify highly innovative MPEA with individually adjustable properties for industrial applications. In the last 20 years, however, the focus has been on pure material synthesis. With the increase in available material quantities, the focus is on processing issues such as joining and welding processes. In that connection, the weldability of MPEAs has received very little attention so far. Experience with dissimilar metal welds (DMWs) is completely lacking but is essential for the application of these materials if joint to conventional materials. This study presents selected experimental results on the weldability of MPEA-DMWs and the resulting microstructures. For this purpose, the equiatomic CoCrFeMnNi (HEA) was investigated in cold-rolled (CR) and heat-treated (HT) condition and joined by tungsten inert gas (TIG) welding to an austenitic stainless steel 304. The DMWs showed defect-free conditions (no lack of fusion, cracks and so on), whereas the cold-rolling increases the microhardness. The global mechanical properties were obtained by instrumented tensile tests of cross-weld samples and showed sufficient yield and tensile strength comparable to that of the individual base materials (BM). The local strain conditions were determined by digital image correlation and showed the highest local strains to occur in the intermixed weld metal. Indeed, the preferred fracture location of the cross-weld tensile samples was in the weld metal. Finally, the experiments proofed the weldability of the MPEAs to conventional 304. This enables targeted further considerations for example as structural materials.
Effect of Tensile Loading and Temperature on the Hydrogen Solubility of Steels at High Gas Pressure
(2023)
The hydrogen solubility in ferritic and martensitic steels is affected by hydrostatic stress, pressure, and temperature. In general, compressive stresses decrease but tensile stresses increase the hydrogen solubility. This important aspect must be considered when qualifying materials for high‐pressure hydrogen applications (e.g., for pipelines or tanks) by using autoclave systems. In this work, a pressure equivalent for compensating the effect of compressive stresses on the hydrogen solubility inside of closed autoclaves is proposed to achieve solubilities that are equivalent to those in pipelines and tanks subjected to tensile stresses. Moreover, it is shown that the temperature effect becomes critical at low temperatures (e.g., under cryogenic conditions for storing liquid hydrogen). Trapping of hydrogen in the microstructure can increase the hydrogen solubility with decreasing temperature, having a solubility minimum at about room temperature. To demonstrate this effect, the generalized law of the hydrogen solubility is parameterized for different steels using measured contents of gaseous hydrogen. The constant parameter sets are verified and critically discussed with respect to the high‐pressure hydrogen experiments.