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The presentation gives an overview of BAM's activities on processing influences and application properties of MPEAs in the form of joined and machined high and medium entropy alloys (CoCrFeMnNi and CoCrNi). In the case of welding, the focus is on defect-free welded joints with sufficient mechanical properties. In the case of machining, the focus is on the possible influence on the surface quality of the materials through adequate milling parameters. In addition, the hydrogen absorption and diffusion properties as well as the electrochemical corrosion behavior are fundamentally examined.
This presentation describes the usability of the hollow tensile specimen technique for in-situ material testing in a hydrogen atmosphere.
In addition, the presentation provides an outlook on the methodology for investigating the suitability of pipeline steels and their weld seams for hydrogen operation.
As energy carrier of the future, green hydrogen can make a decisive contribution to a sustainable energy supply. Particularly important is the decarbonization of heavy industry. Therefore, a reliable supply of hydrogen must be guaranteed. A hydrogen pipeline grid can achieve this purpose. In Europe concrete plans for a hydrogen pipeline grid already exist, as the so called “European Hydrogen backbone”. As building a completely new pipeline grid is economically not justifiable, a dual-way strategy of repurposing natural gas (NG) pipelines and newly built pipelines is intended. Long distance pipeline grids require regular maintenance and repairs. For natural gas (NG) pipelines in-service welding is state of the art. Concepts such as hot-tapping (drilling into pressurized pipelines) and “stoppling” (sealing off pipeline sections after installing bypasses or pressure relieves) allow the repair of damaged pipeline sections or the installation of new branches without shutting the pipeline down, which in most cases isn’t possible from an economic standpoint. The EIGA 121/14 guideline already pointed out in 2014 that “a hydrogen hot-tap shall not be considered a routine procedure”. This shows that the determination of the transferability of these repair concepts to hydrogen pipelines is of utmost importance. Due to the degrading effects of hydrogen on mechanical proper-ties, commonly referred to as “hydrogen embrittlement” it is necessary to understand and investigate the occurring effects. In the special case of repair welding on in-service hydrogen pipelines an increased hydro-gen uptake due to a large heat input and microstructural changes in the material needs to be considered. Therefore, material degradation must be investigated to determine whether modifications of repair procedures are necessary to ensure a reliable and safe hydrogen transportation via pipelines. For this reason, this paper gives an overview on existing weld repair concepts and its risks and limitations in terms of hydrogen absorption and possible embrittlement effects when transferred to hydrogen pipelines. The complexity lies in a large variety of materials (low alloyed steels), pipeline diameters and corresponding welded joints. The material compatibility of materials in used (repurposed NG-pipelines) and new condition must be investigated. Particularly for repurposed/used pipelines the effect of a pre-matured/corroded inner surface and sometimes insufficient documentation of the material “history” needs to be considered. An overview on ongoing and completed R&D-projects with respect to repair concepts for hydrogen pipelines and hydrogen effects on pipeline materials is given. The focus hereby lies on possible methods of material testing and modeling. Its current difficulties, limits and possible solution will be discussed.
Contemporary steels creep-resistant steels like the 13CrMoV9-10 are used as thick plates e.g., for applications in hydrocrackers. The large plate thickness requires high efficiency welding processes like submerged arc welding (SAW) and a mandatory post weld heat treatment (PWHT). The PWHT-parameters stem from a combination of empirical knowledge and traditional experiments on free shrinking (FS) welds. In that connection, the formation of so-called stress-relief cracking (SRC) must be anticipated. The SRC susceptibility of a welded component is a complex combination and interaction of com-ponent specific, thermal, and metallurgical factors. Many of which have to date not been conclusively researched. For example, it is well known that SRCs develop during PWHT due to formation and growth of carbides on prior austenite grain boundaries, resulting in a significant hardness increase (secondary hardening) and toughness decrease. This leads to a high SRC susceptibility of the coarse grain heat-affected zone (CGHAZ) of the last weld bead during PWHT. This is intensified in case of high residual stresses from the component-specific, structurally induced stiffness. In combination with multi-layer welding this leads to a multiaxial stress distribution. Nonetheless, the combined effect of PWHT and high-residual stresses on the SRC formation is merely unknown. For that reason, this study presents the effect of different heating rates in conjunction with a certain component stiffness. For that reason, SAW joints of 13CrMoV9-10 steel were investigated under FS and defined external restraint condition.
Zur Umsetzung der wasserstoffbasierten Energiewende ist eine zuverlässige Transportinfrastruktur unverzichtbar. Hierfür ist die Nutzung großer Teile des vorhandenen Erdgasnetzes vorgesehen. Im Rahmen von Reparatur- und Wartungsarbeiten ist das Schweißen im Betrieb an Erdgaspipelines Stand der Technik. In Verbindung mit Wasserstoff wirft diese Technik jedoch Fragen der Materialverträglichkeit auf. Das im Vortrag vorgestellte Projekt H2SuD leistet Beiträge zur Aufklärung des Einflusses von Reparaturschweißprozessen auf die Wasserstoffaufnahme und Degradation im Betrieb befindlicher H2 Gasleitungen. Ein Schwerpunkt des Vortrages liegt auf der im Projekt erarbeiteten Prüfmethode für Modellversuche, mit denen der Einfluss von Schweißen im Betrieb an Pipelines auf die Wasserstoffaufnahme getestet wird. Die Durchführung erster Versuche und dabei erzielte Ergebnisse werden präsentiert.
Mikrolegierungselemente wie Nb und Ti sind entscheidend für die erwünschte mechanische Festigkeit von vergüteten Feinkornbaustählen mit einer Nennstreckgrenze von ≥ 690 MPa. Aktuelle Spezifikationen geben lediglich Obergrenzen für die chemische Zusammensetzung vor, allerdings können geringfügige Abweichungen erhebliche Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften haben. Die Vorhersage der Schweißbarkeit und Integrität von Schweißverbindungen stellt aufgrund der variierenden Zusammensetzung und Mikrostrukturen Herausforderungen dar. Unerwünschte Effekte wie Erweichung der Wärmeeinflusszone (WEZ) oder Verfestigung können auftreten. Um dies zu untersuchen, wurden verschiedene Mikrolegierungsrouten mit variierenden Ti- und Nb-Gehalten an Laborschmelzen erforscht. Die Basis jeder Route entsprach der üblichen S690QL in Zusammensetzung und Wärmebehandlung. Dreilagenschweißungen wurden mittels Metallaktivgasschweißens (MAG) durchgeführt, um kritische Gefügebereiche zu identifizieren. Die Analyse konzentrierte sich auf Phasenumwandlungen während der Abkühlung und metallurgisches Ausscheidungsverhalten. Die mechanischen Eigenschaften der Schweißnähte wurden durch Zugversuche ermittelt. Die Ergebnisse zeigen einen bedeutenden Einfluss der Mikrolegierungsroute und Schweißwärmezufuhr auf die Ausscheidungskinetik, trotz insgesamt guter Schweißbarkeit der Werkstoffe.
Mikrolegierungselemente, wie Nb und Ti, sind für die signifikante Festigkeitssteigerung von vergüteten, hochfesten Feinkornbaustählen mit einer Nominalstreckgrenze ≥ 690 MPa unerlässlich. Normvorgaben zur chemischen Zu-sammensetzung 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.
Die Nb-mikrolegierte Güte weist im Vergleich zur Ti-mikrolegierten Güte eine bessere Anlassbeständigkeit auf. Eine divergente Phasenverteilung in den äußeren Zonen der WEZ der Fülllagen erklärt die unterschiedliche Härteverteilung in der WEZ der drei untersuchten Legierungen und die markanten Unterschiede der Kerbschlagzähigkeit. Die quasistatischen Querzugversuche mittels DIC zeigten ein divergentes lokales Dehnungsverhalten auf. Die Ti-mikrolegierte Stahlsorte zeigt ein signifikanten lokales Dehnungsverhalten in der WEZ, wobei hier sich aufgrund der hohen metallurgischen Kerbwirkung Makrostützeffekte während des plastischen Fließens in der WEZ auftreten.
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.
Der Einsatz von hochfesten niedriglegierten Stählen (HSLA) ist in vielen Industriesektoren, wie dem allgemeinen Bauwesen, Offshore Strukturen, Mobilkranbau usw. unumgänglich geworden. Die steigende Nachfrage an Stählen mit einer hohen Festigkeit und gleichzeitig hervorragenden Zähigkeit stellt ein ökonomisches und ökologisches Potential dieser Stähle in Vordergrund. Aktuell gültige Normvorgaben (EN ISO 10025-6) geben den Stahlherstellern Vorgaben bezüglich der chemischen Zusammensetzung, um die geforderten mechanischen Eigenschaften erreichen zu können. Die Legierungsrouten variieren jedoch von Hersteller zu Hersteller. In Betracht der Schweißeignung dieser Stähle zeigt sich das Problem, dass diese bereits bei geringen Nb- und Ti-Mikrolegierungsunterschieden im Grundwerkstoff ein divergentes metallurgisches Verhalten in der Wärmeeinflusszone (WEZ) aufweisen.
In diesem Vortrag werden die schweiß-metallurgischen Unterschiede zwischen verschieden mikrolegiertem hochfestem Feinkornbaustahl S690QL thematisiert. Zur Prüfung der Schweißnahtfestigkeit wurden mittels eines instrumentierten DIC (ARAMIS) Systems Querzugversuche an Schweiß-Querflachzugproben durchgeführt.
In the course of tomorrow's hydrogen-based energy transition, the construction of the corresponding infrastructure will play a central role. The majority of materials used to date are typically welded for component fabrication. In that context, steels are widely applied and can be prone to hydrogen embrittlement. This includes the classical delayed cold cracking during welding processing as well as embrittlement phenomena during operation. For the evaluation of any hydrogen effect on, for example, the mechanical properties of a welded metallic material, the hydrogen content must be precisely determined. In the case of welds, for example, according to ISO 3690, this is the isothermal carrier gas hot extraction (CGHE). CGHE is based on accelerated hydrogen degassing due to thermal activation of hydrogen at elevated temperatures. In addition to the pure quantification of hydrogen, thermal desorption analysis (TDA) with varied heating rates can be used to determine and evaluate the bonding state at microstructural defects in the material. For both techniques, experimental and measurement influences have to be considered, which have a great effect on the result. For CGHE, for example, ISO 3690 suggests different sample geometries as well as minimum extraction times. The present study summarizes results and experiences of numerous investigations with different sample temperatures and geometries (ISO 3690 type B and cylindrical TDA samples) regarding: the influence of the sample surface (polished/welded), measurement accuracies depending on the sample volume as well as the insufficient monitoring of the effect of the PI controller on the extraction temperature. In particular, a deviating extraction temperature to the set temperature, can significantly falsify the measurement results. Based on the results, methods are shown to quickly reach the desired extraction temperature without having to physically interfere with the measurement equipment. This serves to substantially improve the reliability of hydrogen measurement through increased signal stability and accelerated hydrogen desorption. In general, an independent temperature measurement with dummy samples for the selected heating procedure is advisable to exclude possible unwanted temperature influences already before the measurement. In addition (and way more important), the methods described can be transferred directly to industrial applications.
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.
Multiple principal element alloys (MPEA) represent a class of materials consisting of at least three alloying elements, each with 5 to 35 atomic %. The MPEAs encompass the so-called high-entropy (HEA) and medium-entropy alloys (MEAs) and are fundamentally different from conventional materials like the Fe-based steel. Within the last 20 years, highly innovative MPEA with individually adjustable properties for industrial applications were identified. However, the focus has been on pure material synthesis. With the increase in available material quantities, the focus is now on processing issues such as joining and welding. In that connection, the weldability of MPEAs has received very little attention so far and experience in dissimilar metal welds (DMWs) is lacking so far but. The present study summarizes comprehensive experimental results on the weldability of MPEA-DMWs and their resulting microstructure. For this purpose, two equiatomic MPEAs, CoCrFeMnNi (HEA) and CoCrNi (MEA) in cold-rolled and annealed conditions were joined by solid-state friction stir welding (FSW) to an austenitic stainless steel 316L. The DMWs showed very interesting microstructure features. In addition, the mechanical-technological properties were obtained by instrumented tensile tests, and the local straining was determined in-situ by digital image correlation (DIC). A significant influence of the FSW processing on the mechanical performance was identified,in terms of the formation of FSW-specific defects like whitebands or tunnel defects. The experiments proofed the general (but currently limited) FS weldability of the MPEAs to conventional austenitic steel grade AISI 304. This enables targeted further considerations of these highly innovative MPEAs.
Influence of Residual Stresses on Stress Relief Cracking of Thick-Walled Creep-Resistant Steel Welds
(2023)
Controlling the residual stress level during welding of creep-resistant Cr-Mo-V steels is crucial to avoid so called stress relief cracking (SRC) during post weld heat treatment (PWHT) of large-scale components. In the present study, a laboratory scale test specimen (400 mm x 400 mm x 25 mm) was used to simulate thick-walled component welds made of 13CrMoV9-10. The aim was to identify the level and distribution of residual stresses to evaluate the suitability of the specimen for laboratory based SRC testing. High restraint was ensured by the specimen geometry with a narrow welding gap in the center. This gap was filled by submerged arc welding in a multi-layer technique. Two specimens were welded with identical parameters and compared in the as-welded state and after PWHT (705 °C for 10 h). Neutron diffraction was used to determine the residual stresses in the weld metal, the heat-affected zone (HAZ) and the base material at different depths longitudinal, transverse, and normal to the welding direction. The experiments were performed on the instrument E3 of the research reactor BERII of HZB Berlin, Germany. Complementarily, laboratory X-ray diffraction was applied to characterize the surface residual stresses. In the welded state, especially in the weld metal and the adjacent HAZ, the residual stress can reach the yield strength of the untreated material. The highest levels occur in the longitudinal direction. The transverse and normal directions are characterized by residual stress of lower magnitude. As expected, the residual stress is almost completely relieved after PWHT.
Bei dem Vortrag werden die potentiellen mikrobiologischen Einflüsse im Falle der Lagerung von Wasserstofflagerung in unterirdischen geologischen Formationen vorgestellt, die Zusammenarbeit mit internen und auch externen Partnern. Der Fokus liegt dabei auf UGF; anaerobe Umgebungen, Sulfate reduzierenden Bakterien, methanogenen Archaea, weiterleitenden Systeme und die Kombination der Untersuchung abiotisch/biotische
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. 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.
Im Zuge der wasserstoffbasierten Energiewirtschaft von morgen, kommt der Errichtung der dementsprechenden Infrastruktur die zentrale Rolle zu. Der überwiegende Teil bisher eingesetzter und meist geschweißter Werkstoffe, wie Stähle, kann unter bestimmten Bedingungen zur Wasserstoffversprödung neigen. Dies umfasst die klassische verzögerte Kaltrissbildung während der Schweißverarbeitung als auch Versprödungsphänomene während des Betriebs. Für die Bewertung eines jeden Wasserstoffeffektes auf bspw. die mechanischen Eigenschaften eines geschweißten metallischen Werkstoffes, muss der Wasserstoffgehalt präzise bestimmt werden, Im Fall von Schweißnähten ist die beispielsweise nach der ISO 3690, die klassische isotherme Trägergas-Heißextraktion (TGHE). Die TGHE basiert dabei auf der beschleunigten Wasserstoffentgasung aufgrund der thermischen Aktivierung des Wasserstoffs bei erhöhten Temperaturen. Neben der reinen Quantifizierung des Wasserstoffs, kann über die thermische Desorptionsanalyse (TDA) mit variierten Heizraten, der Bindungszustand an mikrostrukturellen Defekten im Material festgestellt und bewertet werden. Für beide Techniken sind experimentelle und messtechnische Einflüsse zu beachten, die großen Effekt auf das Ergebnis haben. Für die TGHE schlägt die ISO 3690 schlägt beispielswiese verschiedene Probengeometrien sowie Mindestextraktionszeiten vor. Die vorliegende Studie fasst Ergebnisse und Erfahrungen zahlreicher Untersuchungen an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) mit unterschiedlichen Probentemperaturen und Geometrien (ISO 3690 Typ B und zylindrische TDA-Proben) zusammen hinsichtlich: Einfluss der Probenoberfläche (poliert/geschweißt), Messgenauigkeiten in Abhängigkeit des Probenvolumens sowie die unzureichende Überwachung des Effektes des PI-Reglers auf die Extraktionstemperatur. Insbesondere eine abweichende Extraktionstemperatur zur eingestellten Temperatur, kann die Messergebnisse wesentlich verfälschen. Basierend auf den Ergebnissen werden Methoden aufgezeigt, um schnell die gewünschte Extraktionstemperatur zu erreichen, ohne physisch in das Messequipment eingreifen zu müssen. Dies dient der wesentlichen Verbesserung der Zuverlässigkeit der Wasserstoffmessung durch erhöhte Signalstabilität und beschleunigte Wasserstoffdesorption. Im Allgemeinen ist eine unabhängige Temperaturmessung mit Dummy-Proben für die gewählte Heizprozedur angeraten, um mögliche unerwünschte Temperatureinflüsse bereits vor der Messung auszuschließen. Die beschriebenen Methoden können ohne großen Aufwand direkt in die industrielle Anwendung überführt werden.
Multielement-Legierungen (MPEA - Multiple Principal Element Alloys, gemeinhin 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 diese 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 von 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 bis Ende 2022 nur äußert wenig Aufmerksamkeit zuteil. Erfahrungen zu Mischverbindungen (sogenannte 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 CoCrFeMnNi (Hochentropie-) und CoCrNi (Mittelentropielegierung) mittels WIG- und Rührreibschweißen mit einem konventionellen, hochlegierten und austenitischen Cr-Ni-Stahl (1.4301) 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 WEZ der MPEAs sowie eine geringfügig verminderte Zugfestigkeit. 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 zielgerichtete weitere Betrachtungen dieser höchst innovativen Werkstoffe.
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.
The hydrogen economy requires large-scale storage and transportation options like long-distance transmission pipelines. The applied materials (typically steels) must be carefully tested under different conditions (pressure, temperature, impact of impurities, etc.) for their suitability and service with hydrogen. In combination with mechanical load, as occurs in every gas network, hydrogen can induce degradation of the mechanical properties and promote finally resulting in embrittlement, i.e., the formation of cracks. The conventional testing procedures consist of autoclaves in which samples are strained under pressurized hydrogen. The test apparatus requires large amounts of hydrogen and thus a high level of safety and costs. In very specific cases, these tests might be replaced by simplified electrochemical charging. However, these test alternatives raise several questions regarding the equivalency of both testing scenarios. In the early 1980’s the idea of a so-called hollow tensile sample raised and was reinitiated 2021 in ISO TC 164 by T. Ogata (NIMS, Japan) and further developed (e.g. by Fraunhofer IWM, Germany). The idea was: the sample itself represents the autoclave instead of charging a sample from outside. For that reason, a hole is drilled through the sample and the inner surface is pressurized by hydrogen gas during the mechanical testing. Indeed, this represents the main advantage as no expensive pressure-resistant autoclave equipment for large H-volumes is necessary, which significantly reduces the safety-related issues and thus the high costs. In the following, we show recent activities at BAM Berlin on adaption of the hollow-specimen technique for slow strain rate testing (SSRT). The current research activities are focussed on macroscopic influences like the sample geometry, minimum necessary dimensions, and microscopic influences e.g., on the surface by the processing method (drill hole quality and geometric precision) as well as the gas pressure effect (mechanical deformation of surface in different media).
Microalloying elements, such as Nb and Ti, are essential for the targeted mechanical strength of quenched and tempered, high-strength fine-grained structural steels with a nominal yield strength ≥ 690 MPa. Current specifications for chemical composition only provide upper limits for manufacturers. But even small deviations in the alloying route can have a drastic effect on the mechanical properties. Thus, an adequate prediction of the weldability and the integrity of the welded joint becomes difficult or even impossible due to the varying composition and, hence, the microstructures. Undesirable side effects are the possible softening of the heat-affected zone (HAZ) as well as the opposite effect of hardening. Against this background, different microalloying routes with varying Ti and Nb contents are systematically investigated for the first time on specially designed lab-cast alloys. The basis of each alloy route was the common S690QL in terms of both the chemical composition as well as the heat treatment. To investigate the weldability, three-layer welds were performed using metal active gas welding (MAG) and critical microstructural areas with high softening/hardening were identified. The scope was here on the identification of phase transformations during cooling and on the respective metallurgical precipitation behavior. Isothermal and non-isothermal phase calculations were performed using Thermo-Calc® and showed that the prediction of the non-equilibrium precipitation characteristics during welding is not trivial, especially for this relatively complex chemical composition. The mechanical properties of the welded joints were identified by both Charpy tests (toughness) and tensile tests (strain and strength). During the test, the local straining behavior of the welded joints, was identified using a digital image correlation (DIC) system, see Figure 1. Despite the generally good weldability of the materials, the results show a significant influence of the microalloying route as well as the welding heat input on the different precipitation kinetics.
Hydrogen has great potential into the decarbonization process of the energy and transport sectors, thus helping to mitigate the urgent issue of global warming. It can be sustainably produced through water electrolysis with potentially zero emissions, and efficiently used in fuel cell systems. Despite its environmental advantages, hydrogen is an extremely flammable substance and its interaction with most metallic materials could result in their mechanical properties degradation to an extent that could make them inherently unsafe.
Extensive material testing under realistic operating conditions is required to determine the criteria under which hydrogen-induced damage is to be expected. In-situ slow strain rate tensile (SSRT) test is an option that allow the quantification of the behavior of metals in hydrogenated environments. The standardized procedure for testing in-situ the pressurized gaseous hydrogen
effect on metals consists of the utilization of an autoclave as a containment volume. Testing inside an autoclave is difficult, expensive, and time-consuming, and requires specialized equipment and trained personnel. A relatively recent method to circumvent these issues and provide affordable and reliable test results consists in using hollow specimens as the gas containment volume, thus applying the hydrogen pressure inside rather than outside the
specimen. This experimental setup allows us to minimize the volume of hydrogen and perform the tests safely and effectively. This study focuses on the evaluation of tensile properties of X65 pipeline steel, which was in vervice for natural gas transport, tested in a high-pressure hydrogen environment using hollow specimens. A constant nominal strain rate of 1ꞏ10-6 s-1 is applied. Tests are performed with different manufacturing techniques for the drilling process, which results in difeerent surface conditions. The effect of the roughness on the HE was investigated. For the evaluation the effect on the reduced area at fracture (RA) and the elongation loss were determined. Further fractographic analysis were performed. In this way, this study provides insights on the applicability of novel, reliable, and safer testing method which can be used to assess HE, particularly in relation with hydrogen-induced loss of ductility in metallic material.
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. 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.
Mikrolegierungselementen, wie Nb und Ti sind für eine signifikante Festigkeitssteigerung von vergüteten, hochfesten Feinkornbaustählen mit einer Nominalstreckgren-ze ≥ 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.
Microalloying elements, such as Nb and Ti, are essential for significantly increasing the strength of quenched and tempered, high-strength structural steels with a nominal yield strength ≥ 690 MPa and their welded joints. The standard specifications (e.g., EN 10025-6) for the chemical composition are only tolerated limit contents within which the steel manufacturers operate. The standard composition, however, says nothing per se about the properties of the material. Even small deviations in the alloy route can have a drastic effect on the mechanical properties. This makes it difficult or even impossible to adequately predict the weldability and integrity of the welded joint. An undesirable side effect is the possible softening of the heat-affected zone (HAZ), as well as the opposite hardening.Mechanical-technological investigations of the notched impact strength confirm the results of the simulation regarding the development of different microalloy routes in the welded state. From this, the influence of the heat effect of welding on the microstructure formation in the HAZ and the corresponding mechanical properties can be described qualitatively.
Mikrolegierungselemente, wie Nb und Ti, sind für die signifikante Festigkeitssteigerung von vergüteten, hochfesten Feinkornbaustählen mit einer Nominalstreckgrenze ≥ 690 MPa unerlässlich. Normvorgaben zur chemischen Zusam-mensetzung geben dabei nur obere Grenzwerte für die Hersteller vor. Weiterhin wirken sich bereits kleine Abwei-chungen in der Legierungsroute teilweise drastisch auf die mechanischen Eigenschaften aus. Somit wird eine adä-quate Vorhersage der Schweißeignung und der Integrität der Schweißverbindung aufgrund der variierenden Mikro-gefüge erschwert bis unmöglich. Unerwünschte Nebeneffekte sind die mögliche Erweichung der Wärmeeinflusszone (WEZ) als auch der gegenteilige Effekt der Aufhärtung.
Das Schweißen von hochfesten Feinkornbaustählen erfordert aufgrund der Sicherstellung der Gütewerte des Grundwerkstoffes (Zähigkeit, Festigkeit) auch in der Schweißverbindung, die Einhaltung von engen Grenzen bei der Auswahl von Schweißparametern. Die Reproduzierbarkeit von beanspruchungsgerechten hochfesten Schweißverbindungen hängt vom Schweißverfahren und der damit einhergehenden komplexen Gefügeausbildung ab. Hierbei müssen hochfeste Schweißverbindungen mindestens die gleichen Festigkeitsanforderungen erfüllen wie der eingesetzte Grundwerkstoff. In diesem Vortrag werden speziell die Herausforderungen wie der Empfindlichkeit gegenüber der wasserstoffunterstützen Kaltrissbildung beim Schweißen von hochfesten Feinkornbaustählen und dem Mikrolegierungseinfluss auf die divergente Ausbildung der Wärmeeinflusszone thematisiert.
Large scale hydrogen assisted cracking test for thick walled SAW joints for offshore applications
(2023)
Offshore wind turbines continuously increase in size and weight and demand adequate offshore foundations concepts like monopiles, tripods or jackets. These components are typically submerged arc welded (SAW) 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 complicate 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 22 passes and a seam length of 1,000 mm. Additional welded stiffeners simu-lated the effect of a high restraint, to stimulate 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 48 h after 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 modelling allowed the qualitative estimation of the hydrogen diffusion in the weld. A remarkable HAC occurrence was not identified and proves both, a certain resistance of the weld joint to HAC and the (questionable) duration of the MWT.
Multiple principal element alloys (MPEA) encompass the well-known high entropy alloys (HEAs). MPEA/HEA represent a new class of materials consisting of at least three alloying elements, each containing 5 to 35 at.-%. This alloying concept thus differs fundamentally from conventional materials such as steel or nickel alloys. 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. In particular, conflicting goals, such as the trade-off between strength and ductility in conventional steels, are overcome. In the last 20 years, however, the focus has been on material synthesis. With the increase in available material quantities, the focus is now on pro-cessing issues such as joining and welding processes. The weldability of MPEA has received very little atten-tion so far. Experience with dissimilar metal welds (DMWs) is completely lacking but is essential for the appli-cation of these materials in combination with conventional materials. The present study presents, comprehen-sive experimental results on the weldability of MPEA-DMWs. For that purpose, a Co20Cr20Fe20Mn20Ni20 HEA in cold-rolled and heat-treated condition was joined by means of tungsten inert gas welding (TIG) with the austenitic Cr-Ni steel AISI 304. The DMWs resulted in interesting mechanical properties. They were obtained by instrumented tensile tests as well as the local deformation in the weld area by using digital image correlation (DIC) technique. A significant softening in the heat-affected zone (HAZ) of the MPEAs as well as a slightly reduced tensile strength with a significant decrease of the elongation at fracture were found. The experiments provided proof in principle of the weldability of the MPEAs for DMWs with conventional materials that ensure a corresponding capability for mechanical loading. This allows further considerations on the application of these innovative materials.
The high cooling rates (~106 K/s) occurring during Laser Powder Bed Fusion (PBF-LB/M) of AlSi10Mg induce to the formation of a fine nanometric silicon network in the as-built condition. Such unprecedented microstructure enhances the mechanical strength when compared to equivalent as-cast materials. Nevertheless, PBF-LB/M also leads to high magnitude residual stress (RS) due to the extreme localized temperature gradients. The presence of RS can be detrimental to the fatigue life of engineering components, and great efforts are focused on understanding their generation and evolution after post-process heat treatments. Typically, T6 heat treatments are used to mitigate RS and improve mechanical performances by Mg2Si precipitation during ageing at 160-180°C. Nevertheless, the solutionizing at 500-540°C vanishes the fine silicon network, leading to the formation of micrometric (average of ~2-5 µm) polygonal Si particles, similar to those observed in T6 heat-treated Al-Si cast materials. Therefore, the aim of this work is to evaluate the ability of two so-called low temperature heat treatments (i.e., at 265°C and 300°C) to mitigate RS while retaining the fine as-built microstructure inherent to PBF-LB/M AlSi10Mg. The fatigue behavior of the as-built material is subsequently compared to the two low temperature conditions.
High entropy alloys (HEA) are a new class of materials that have been investigated since the early 2000s and offer great potential to replace conventional alloys. However, since they sometimes have significant contents of expensive alloying elements such as Co or Ni, their use is only conceivable in highly stressed areas of components. For this purpose, the weldability with conventional alloys such as high-alloy austenitic steels must be investigated. In addition to the resulting microstructure, the mechanical properties are also fundamental for the usability of HEAs in DMWs. For this purpose, TIG welds of CoCrFeMnNi HEA (cold rolled and recrystallized state) with AISI 304 austenitic steel are investigated. These mechanical properties are analyzed in this work by means of tensile tests and local hardness measurement. The local strain behavior of the welded joints is also characterized by means of Digital Image Correlation (DIC). The results of the local hardness measurement show a clear influence of the initial condition of the HEA on the HAZ. Thus, the HEA in the cold-rolled condition shows a clear softening because of recrystallization processes in the HAZ. On the other hand, there is no influence on the hardness of the weld metal, which is approx. 200 HV0.1 in both cases. The tensile tests show a consistent failure of the weld in the weld metal. However, regardless of the HEA condition, strengths in the range of the recrystallized HEA (RM ~ 550–600 MPa) are achieved, although with significantly reduced fracture elongations.
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.
The following presentation provides an overview on some of the challenges with metallic materials used as structural materials in the energy sector for the transport and storage of hydrogen. The presentation contains explanations about the methodologies utilized to characterize the susceptibility of these materials for hydrogen.
As the world shifts to a decarbonized economy, the demand for hydrogen-based technologies is rapidly increasing. In order to make optimal use of hydrogen as an energy carrier, the infrastructure for hydrogen storage and transport in particular, must meet high technical safety standards. The indispensable basis for such safety assessments are the material properties, which must be evaluated under operating conditions that are as real as possible.
The conventional method for the assessment of the material properties in gaseous hydrogen is conducted by testing materials in high-pressure hydrogen gas in a pressure vessel (autoclave). It is an established method that allows to perform common standardized tests such as tensile, fatigue and crack growth tests under varying hydrogen conditions. However, this method is complex and entails high costs due to extensive safety regulations.
The hollow specimen technique is a more efficient test method, which can be used to assess the mechanical properties of materials under high-pressure hydrogen gas. The procedure is conducted by enclosing high-pressure gas into a hole along the axis of the tensile test specimen. Recently, this method has been successfully performed at pressures up to 1000 bar and over a wide range of temperatures. Due to the low hydrogen volume needed, this method requires minimal safety regulation; therefore, the costs are reduced when compared to the conventional autoclave technique. This method is now in a standardization process, which has been initiated by Japan as a new working package in ISO (TC 164/SC 1/WG 9).
The following contribution presents preliminary results obtained testing common grades of metastable austenitic stainless steel. For this purpose, the mechanical properties and fracture surface of solid and tubular specimens were assessed and compared using slow strain rate tensile (SSRT) test as part of the preliminary work at the Fraunhofer IWM. In a similar way, pipeline steels evaluated under hydrogen atmospheres using the geometry adapted by BAM will be presented. Within the framework of the TransHyDE flagship project, more results with the goal of supporting the standardization of the hollow specimen technique are expected to be obtained.
Der Vortrag gibt einen kurzen Überblick über die Bedeutung der Fügetechnik in Wasserstofftechnologien und über zukünftige Herausforderungen. Fügetechnologien, insbesondere die Schweißtechnik, haben dabei wesentliche Bedeutung für die Umsetzung von technischen Komponenten der Wasserstofftechnologien. Forschungsschwerpunkte ergeben sich insbesondere für die Erzeugung und den Transport des Wasserstoffs.
Die schädigende Wirkung von Wasserstoff auf die mechanischen Eigenschaften von Stählen ist zwar bekannt, aber noch immer nicht ausreichend erforscht. Die schnelle und sichere Markteinführung von Wasserstofftechnologien macht es erforderlich, dieses Thema genauer zu untersuchen. Im Allgemeinen wird dies oft als Wasserstoffversprödung bezeichnet. Daher ist es wünschenswert, eine Prüfmethode zu entwickeln, die auf einfache Weise die Materialeigenschaften unter Wasserstoffatmosphäre ermitteln kann. Derzeit werden mechanische Prüfungen unter Wasserstoffatmosphäre in Autoklaven durchgeführt. Für diese Technik ist eine aufwendige Hardware erforderlich, daher sind die Prüfungen teuer und die Prüfkapazitäten nur in geringem Umfang verfügbar. Die hier vorgestellte Prüfmethode verspricht einen zukunftsweisenden Ansatz zur Reduzierung von Kosten und Bearbeitungszeiten durch die Verwendung von Hohlkörpern, d.h. die Probe selbst stellt den Autoklav dar.
High entropy alloys (HEA) are a new class of materials that have been investigated since the early 2000s and offer great potential to replace conventional alloys. However, since they sometimes have significant contents of expensive alloying elements such as Co or Ni, their use is only conceivable in highly stressed areas of components. For this purpose, the weldability with conventional alloys such as high-alloy austenitic steels must be investigated. In addition to the resulting microstructure, the mechanical properties are also fundamental for the usability of HEAs in DMWs. For this purpose, TIG welds of CoCrFeMnNi HEA (cold rolled and recrystallized state) with AISI 304 austenitic steel are investigated. These mechanical properties are analyzed in this work by means of tensile tests and local hardness measurement. The local strain behavior of the welded joints is also characterized by means of Digital Image Correlation (DIC). The results of the local hardness measurement show a clear influence of the initial condition of the HEA on the HAZ. Thus, the HEA in the cold-rolled condition shows a clear softening because of recrystallization processes in the HAZ. On the other hand, there is no influence on the hardness of the weld metal, which is approx. 200 HV0.1 in both cases. The tensile tests show a consistent failure of the weld in the weld metal. However, regardless of the HEA condition, strengths in the range of the recrystallized HEA (RM ~ 550–600 MPa) are achieved, although with significantly reduced fracture elongations.
Large scale hydrogen assisted cracking test for thick walled SAW joints for offshore applications
(2023)
Offshore wind turbines continuously increase in size and weight and demand adequate offshore foundations concepts like monopiles, tripods or jackets. These components are typically submerged arc welded (SAW) 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 complicate 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 more than 20 passes and a seam length of 1,000 mm. Additional welded stiffeners simulated the effect of a high restraint, to stimulate 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 48 h after 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 modelling allowed the qualitative estimation of the hydrogen diffusion in the weld. A remarkable HAC occurrence was not identified and proves both, a certain resistance of the weld joint to HAC and the (questionable) duration of the MWT.
Die Wasserstoffinfrastruktur ist eine zentraler Bestandteil der erfolgreichen Umsetzung der wasserstoffbasierten Energiewende. Dabei bilden Ferngasleitungen quasi das "Rückgrat" der Transportinfrastruktur großer Gasmengen. Dabei müssen unter Umständen Reparaturen an den Pipelines durchgeführt werden. Dabei ist in der Erdgasinfrastruktur das Schweißen an in Betrieb befindlichen (d.h. von Gas durchflossenen) Pipelines Stand der Technik. Es ist jedoch vollkommen offen, inwieweit diese Technik auf die reine Wasserstoffpipelines übertragbar sind. Hierzu leistet das Projekt H2SuD wichtige Beiträge zur Aufklärung des Einfluss eines Reparaturschweißprozesses auf die Wasserstoffaufnahme und Degradation im Betrieb befindlicher H2 Gasleitungen.
Wasserstoff erfüllt die zentrale Rolle für die Umwandlung der bisherigen fossil-basierten Energieerzeugung und -nutzung auf eine dekarbonisierte, nachhaltige Form. Dazu muss der Wasserstoff erzeugt, gespeichert, transportiert werden, bevor er wieder der Nutzung zugeführt wird. Hierzu sind entlang der gesamtem Prozesskette Wasserstofftechnologien notwendig, die einen sicheren Betrieb erfordern. Hierbei kommt dem schweißtechnischen Anlagen- und Behälterbau wesentliche Bedeutung zu, insbesondere (aber nicht ausschließlich) für Speicherung und Transport des Wasserstoffes. Der vorliegende Beitrag gibt einen kurzen Überblick, wo und wie die konventionelle Schweißtechnik hierzu wichtige Beiträge leistet. Die additive Fertigung, also das „Drucken“ von Bauteilen wird dabei zunehmend wichtiger, entlang der gesamtem Prozesskette der Wasserstofftechnologien. Gleichwohl darf nicht unterschätzt werden, dass auch wesentlicher Bedarf an der Erweiterung und teilweiser Neufassung von bestehenden Regel- und Normenwerken besteht.
Der Vortrag gibt einen kurzen Überblick über die Bedeutung der Fügetechnik in Wasserstofftechnologien und über zukünftige FuE-Bereiche. Fügetechnologien haben dabei wesentliche Bedeutung für die Umsetzung von technischen Komponenten der Wasserstofftechnologien. Forschungsschwerpunkte ergeben sich insbesondere für die Erzeugung und den Transport des Wasserstoffs.
Innovative Multielement-Legierungen: Ergebnisse zur Schweißbarkeit und Anwendungseigenschaften
(2022)
Multielement-Legierungen (MPEA – multiple pricipal element alloys) stellen eine neue Klasse von Werkstoffen dar, die aus mindestens drei äquiatomaren Legierungselementen mit jeweils einem Gehalt von 5–35 Atom-% bestehen. Somit unterscheidet sich das Legierungskonzept fundamental von konventionellen bspw. Stahl- oder Al-basierten Legierungen. In jüngster Zeit lag der Schwerpunkt auf dem Legierungs-Design der MPEA und der Überprüfung bzw. Erreichung der gewünschten Eigenschaften bzw. -kombinationen. Hierzu werden die Legierungselemente gezielt ausgewählt und die Mikrostrukturen ein- und zum Teil auch mehrphasig eingestellt. Ziel sind hochinnovative MPEA mit angepassten Eigenschaften für die industrielle Anwendung. Dabei sollen insbesondere die bei konventionellen Legierungen wesentlichen Zielkonflikte, wie bspw. der Trade-off zwischen Festigkeit und Duktilität, überwunden werden. Darüber hinaus sind mechanische Eigenschaften bei sehr hohen sowie kryogenen Temperaturen bei gleichzeitig höchster Korrosionsbeständigkeit von hohem Interesse. Die Herstellung von Bauteilen erfordert dazu werkstoff- und beanspruchungsgerechte Füge- bzw. Schweißverfahren. Der Schweißeignung von MPEA wurde bis Ende 2021 nur äußert wenig Aufmerksamkeit zuteil. Die Auswirkungen durch Schweißprozesse auf die Metallurgie und die gewünschten Eigenschaften sind bisher kaum bekannt und limitieren die potenzielle Anwendbarkeit als Funktions- oder Konstruktionswerkstoffe.
In einem interdisziplinären BAM-Forschungsprojekt werden aktuell grundlegende Untersuchungen zur Schweißverarbeitung und resultierender Mikrostruktur-Anwendungseigenschafts-Beziehung verschiedener MPEA durchgeführt. Insbesondere Wärmeeinflusszone und Schweißgut sind geprägt durch eine Mikrostruktur, die aus Ungleichgewichtszuständen resultiert. Im Falle von MPEA wurde dies bisher nicht systematisch untersucht. Dazu erfolgte im Rahmen des Projektes eine umfassende Literaturauswertung zum Schweißen von MPEA und Zusammenfassung in einer umfassenden, systematischen Datenbasis. Aus diesem Grund sollen in der vorliegenden Studie die bisher bedeutsamsten Erkenntnisse zur Schweißbarkeit von MPEA systematisch nach MPEA-Typ und Schweißverfahren geordnet und mit eigenen aktuellen Forschungsergebnissen verglichen werden. Durch WIG- und Rührreibschweißversuche an den MPEA-Systemen CoCrNiFeMn bzw. CoCrNi konnten im Projektverlauf bereits wesentliche Fragestellungen beantwortet werden. Dazu zählen Auftreten bzw. Verhinderung intermetallischer Phasen/Seigerungen oder deren Auswirkung auf die Eigenschaften der Schweißverbindung (bspw. Festigkeit oder Korrosionsbeständigkeit).
Multielement-Legierungen (MPEA – multiple pricipal element alloys) stellen eine neue Klasse von Werkstoffen dar, die aus mindestens drei äquiatomaren Legierungselementen mit jeweils einem Gehalt von 5–35 Atom-% bestehen. Somit unterscheidet sich das Legierungskonzept fundamental von konventionellen bspw. Stahl- oder Al-basierten Legierungen. In jüngster Zeit lag der Schwerpunkt auf dem Legierungs-Design der MPEA und der Überprüfung bzw. Erreichung der gewünschten Eigenschaften bzw. -kombinationen. Hierzu werden die Legierungselemente gezielt ausgewählt und die Mikrostrukturen ein- und zum Teil auch mehrphasig eingestellt. Ziel sind hochinnovative MPEA mit angepassten Eigenschaften für die industrielle Anwendung. Dabei sollen insbesondere die bei konventionellen Legierungen wesentlichen Zielkonflikte, wie bspw. der Trade-off zwischen Festigkeit und Duktilität, überwunden werden. Darüber hinaus sind mechanische Eigenschaften bei sehr hohen sowie kryogenen Temperaturen bei gleichzeitig höchster Korrosionsbeständigkeit von hohem Interesse. Die Herstellung von Bauteilen erfordert dazu werkstoff- und beanspruchungsgerechte Füge- bzw. Schweißverfahren. Der Schweißeignung von MPEA wurde bis Ende 2021 nur äußert wenig Aufmerksamkeit zuteil. Die Auswirkungen durch Schweißprozesse auf die Metallurgie und die gewünschten Eigenschaften sind bisher kaum bekannt und limitieren die potenzielle Anwendbarkeit als Funktions- oder Konstruktionswerkstoffe.
In einem interdisziplinären BAM-Forschungsprojekt werden aktuell grundlegende Untersuchungen zur Schweißverarbeitung und resultierender Mikrostruktur-Anwendungseigenschafts-Beziehung verschiedener MPEA durchgeführt. Insbesondere Wärmeeinflusszone und Schweißgut sind geprägt durch eine Mikrostruktur, die aus Ungleichgewichtszuständen resultiert. Im Falle von MPEA wurde dies bisher nicht systematisch untersucht. Dazu erfolgte im Rahmen des Projektes eine umfassende Literaturauswertung zum Schweißen von MPEA und Zusammenfassung in einer umfassenden, systematischen Datenbasis. Aus diesem Grund sollen in der vorliegenden Studie die bisher bedeutsamsten Erkenntnisse zur Schweißbarkeit von MPEA systematisch nach MPEA-Typ und Schweißverfahren geordnet und mit eigenen aktuellen Forschungsergebnissen verglichen werden. Durch WIG- und Rührreibschweißversuche an den MPEA-Systemen CoCrNiFeMn bzw. CoCrNi konnten im Projektverlauf bereits wesentliche Fragestellungen beantwortet werden. Dazu zählen Auftreten bzw. Verhinderung intermetallischer Phasen/Seigerungen oder deren Auswirkung auf die Eigenschaften der Schweißverbindung (bspw. Festigkeit oder Korrosionsbeständigkeit).
Ein Umlaufkühler ist im Betrieb explodiert. Splitter des zerborstenen Gehäuses aus Kunststoff wurden mit dem Kühlwasser in die Umgebung geschleudert, am Betriebsort entstand Personenschaden. Bei Funktionsprüfungen am beschädigten Gerät traten unerwartet - aber reproduzierbar - Knalleffekte bei Berührung der Außenoberfläche der Kupfer-Kühlschlange auf. Ein möglicher Mechanismus konnte im Labor durch Synthese von Kupferazid auf Kupferproben und Auslösung vergleichbarer Knalleffekte nachgestellt werden. Damit ist die Plausibilität des beschriebenen Schadensereignisses mit diesem oder einem ähnlich reagierenden Stoff belegt. Ein eindeutiger Nachweis darüber, dass bei dem aufgetretenen Schadensfall dieselbe chemische Reaktion stattgefunden hat, war nicht möglich, da die Belag-Überreste aus dem explodierten Kühlgerät für eine Analyse nicht mehr in ausreichender Menge verfügbar gewesen sind.
The new alloying concept of multi-element systems with defined entropy (HEA - High Entropy Alloy or MEA - Medium Entropy Alloy) is gaining increasing importance in materials research. Significantly improved properties or combinations of properties are shown by some HEA/MEA-systems, which have the potential to substitute conventional alloys such steels and are therefore promising for a wide range of applications, e.g., overcome of the trade-off between high strength and ductility. Thus, primarily the production and resulting microstructures of HEA as well as properties have been investigated so far. Furthermore, processing is a main issue to transfer HEA systems from the laboratory to real components, e.g., for highly stressed components. Since welding is the most important joining process for metals, it is crucial to investigate the influence of welding processing on these material properties to guarantee component integrity. Welding leads to residual stresses, which significantly affect the component integrity. Only a very few studies on the effect of welding on residual stresses in HEA and MEA weld joints are available so far. Hence, the focus of this study is the residual stress formation and distribution in a CoCrFeMnNi HEA and ternary CoCrNi MEA using two different welding processes: Tungsten Inert Gas (TIG) welding and soldi-state Friction Stir Welding (FSW). As a pathway for application of HEA in this investigation for the first time residual stress analyses in realistic near-component specimens were performed. The residual stresses were determined by X-ray diffraction (XRD) on the surfaces of top and root weld side. The results were correlated with the local welding microstructures. The results show that both FSW and TIG generate significant tensile residual stresses on the weld surfaces in and transverse to the welding direction. In the case of FSW of the CoCrFeMnNi HEA, the longitudinal residual stresses are in the range of the yield strength of approx. 300 MPa in the weld zone.
Experimentelle Charakterisierung der WIG-Schweißeignung einer Hoch- und Mittelentropie-Legierung
(2021)
Hoch- und Mittelentropie-Legierungen (engl. High/Medium Entropy Alloys–HEA/MEA) sind relativ neue Werkstoffklassen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Legierungen bestehen HEA aus fünf bzw. MEA aus drei oder vier Legierungselementen im äquiatomaren Gleichgewicht. Um diese als reale Bauteile in die Anwendung zu überführen, muss die Verarbeitbarkeit ausführlich erforscht werden. In dieser Präsentation werden dafür erste Ergebnisse der schweißtechnischen Verarbeitung mittels WIG-Schweißen dargestellt. Dazu wurden zunächst die Schweißparameter mit einer Referenzlegierung (Ni-Basislegierung: 2.4858) bestimmt und auf eine CoCrFeMnNi-HEA sowie eine CoCrNi-MEA übertragen.
With the introduction of a hydrogen-based energy and national economy, safety-relevant components for hydrogen technologies are becoming increasingly important. Characteristic of hydrogen technologies are, for example, harsh environmental conditions such as cryogenic or high-pressure storage, corrosion issues in fuel cells and electrolyzers, turbines, and many more. Additive manufacturing of components is becoming increasingly important and irreplaceable for the production of complex technical systems. Using the case studies of burners for gas turbines and electrodes and membranes for polymer (PEMFC) and solid oxide (SOFC) fuel cells, this article shows the potential of additive manufacturing of components. At the same time, however, the challenge of considering divergent mechanical properties depending on the direction of assembly in a "hydrogen-compatible" manner is also highlighted. Finally, the challenges posed by additive manufacturing and hydrogen for materials testing are highlighted under scenarios that are as realistic as possible.
We could show in GTAW experiments with steel samples that the attenuation of neutron transmission underneath the welding torch due to the Debye-Waller-effect correlates well with sample temperatures obtained by FE numerical simulations. This would allow principally to determine sample temperatures by measuring the neutron beam attenuation.
Der Kerbschlagbiegeversuch ist seit der ersten Hälfte des letzten Jahrhunderts standardisiert und seit langem als Prüfverfahren international genormt. Weltweit sind zu garantierende Werte der Kerbschlagenergie (KV) und Übergangstemperaturen (TÜ) in Produktnormen und Regelwerken festgelegt. Unter bestimmten Bedingungen besteht dabei die Option, statt Normalproben Untermaßproben zu prüfen. Im Rahmen einer Untersuchung der BAM wurde der aktuelle Status von Prüf- und Produktnormen sowie Regelwerken zur Bewertung der Bauteilintegrität hinsichtlich ihres Umgangs mit Untermaßprobenergebnissen erfasst. Zur Schaffung einer geeigneten aktuellen Datenbasis wurden an ISO-V-Proben der Dicken 2,5, 5,0, 7,5 und 10,0 mm aus vier aktuellen Baustählen KV2-T-Kurven ermittelt. Es wurden unterschiedliche Vorgehensweisen zur Kurvenanpassung und Festlegung von Übergangstemperaturen praktiziert. Ferner kamen verfügbare Ansätze zur Skalierung von Untermaßprobenergebnissen auf die Werte von Normalproben zur Anwendung. Das Ausmaß des Probendickeneffektes ist werkstoff- und temperaturabhängig. Im Bereich der Werkstoffprüfung ist akzeptiert, dass die Ergebnisse von Normal- und Untermaß-proben nicht ohne Weiteres ineinander überführt werden können. Der Stand der Produktnormung und der Regelwerke ist jedoch im besten Falle als unzureichend, vielfach jedoch schlicht als falsch zu bezeichnen. In einem weiten anwendungsrelevanten Temperaturbereich werden hier sogar deutlich nicht-konservative Skalierungsergebnisse geliefert. Die betroffenen Produkt-normenreihen und Regelwerke müssen überarbeitet werden.
Bei der Auslegung von Achsschenkeln für Nutzfahrzeuge wird für den Überlastfall ein fail-safe-Kriterium (kontrolliertes Versagen) als Basisphilosophie angesetzt. Gefordert wird, dass sich der Achsschenkel auch unter Akzeptanz begrenzten Risswachstums hinreichend elastisch-plastisch verformen kann, ohne dass es zum Bruch kommt. Der Fahrer soll anschließend anhand der bleibenden Verformungen bemerken können, dass mit seinem Fahrzeug etwas nicht in Ordnung ist. Eine Voraussetzung für dieses Bauteilverhalten ist eine hinreichende Bruchzähigkeit des Werkstoffs. Diese, wie auch die Rissspitzenbeanspruchung, müssen ermittelt wer-den, um den bruchmechanischen Sicherheitsnachweis führen zu können. Zur Ermittlung der mechanisch-technologischen und bruchmechanischen Werkstoffeigenschaften wurde ein Prüfkonzept entwickelt, bei dem die Proben an der potenziell kritischen Stelle direkt aus den geschmiedeten Achsschenkeln entnommen werden. Die experimentelle Werkstoffcharakterisierung bildet dann die Beanspruchungsbedingungen beim Überlastereignis ab. Im Rahmen der Produktion stehen jedoch nur Kerbschlagarbeitswerte zur Verfügung und aufwändige bruchmechanische Versuche sollen vermieden werden. Deshalb wurde eine Korrelation zur Abschätzung der vorhandenen Bruchzähigkeit aus der Kerbschlagarbeit herangezogen. Es ergibt sich eine Ergebnismatrix, die die Einflussgrößen Versagenswahrscheinlichkeit, Temperatur und Bruchzähigkeit verknüpft. Abschließend wird ein erster Vergleich der abgeschätzten mit den experimentell ermittelten Bruchzähigkeitswerten gezogen. Dieser weist aus, dass die abgeschätzten Werte geringfügig konservativ sind.
Komponenten von Fahrrädern werden im Betrieb vorwiegend schwingend beansprucht. Typische Werkstoffe sind Stahl, Aluminiumlegierungen, Messing, CFK und thermoplastische Kunststoffe. Da es sich, unabhängig von der Preiskategorie, um konstruktiven Leichtbau handelt, werden einige Bauteile betriebsfest mehr oder weniger weit oberhalb der Dauerfestigkeit ausgelegt. Die im normalen Betrieb auftretenden Schäden sind daher weit überwiegend Schwingbrüche. Andere Schadensmechanismen wie z.B. Korrosion spielen quantitativ eine untergeordnete Rolle. Schwingbrüche treten nach einer Periode unbemerkten Risswachstums oft ohne Vorwarnung und ohne makroskopische Verformung auf. Im Falle von sicherheitsrelevanten Komponenten wie Rahmen, Gabeln, Lenkern, Sattelstützen, Kurbelarmen oder Pedalen kann dies zu erheblichen Personenschäden führen, die den Wert des ursächlichen Bauteilschadens weit überschreiten.
Über einen langjährigen Zeitraum wurden gebrochene Komponenten aus dem Alltag und aus Gerichtsverfahren analysiert. Das Hauptaugenmerk lag hierbei auf der fraktographischen Analyse, teilweise wurden die zu Grunde liegenden Schadensursachen ermittelt. Einflussfaktoren sind beispielsweise konstruktive Kerben an ungünstigen Stellen, aber auch Werkstoffwahl und Fertigungsqualität spielen eine Rolle. In den meisten Fällen wurde jedoch die konstruktive Lebensdauer überschritten. Diese wird praktisch nie mitgeteilt, und eine wiederkehrende Prüfung sicherheitsrelevanter Bauteile findet nicht statt.
Im Sinne der Vermeidung von Schäden und Unfällen könnte darauf hingewirkt werden, für sicherheitsrelevante Komponenten Lebensdauern besser abzuschätzen und von der Laufleistung abhängige Sichtprüfungen zu empfehlen.
Future structural components made of the novel high-entropy (HEA) or medium-entropy alloys (MEA) components can be potentially exposed to hydrogen containing environments like high-temperature water in pressurized nuclear reactors or aerospace structures. Further applications are vessels wall materials for cryogenic or high-pressure hydrogen storage. So far, the susceptibility of HEA/MEAs to hydrogen assisted cracking (if any) and the hydrogen diffusion is not investigated in detail yet and can limit or extend possible applications of HEA/MEA as structural materials. In our work, we focused on the hydrogen absorption, diffusion, and distribution in a HEA (Co20Cr20Fe20Mn20Ni20, the original Cantor-alloy) and a MEA (Co33.3Cr33.3Ni33.3). Conventional cathodic hydrogen charging was carried out for the hydrogen ingress in the materials. Thermal desorption analysis (TDA) via carrier gas hot extraction with coupled mass spectrometry revealed complex hydrogen trapping in both alloy types up to 300 °C. The absorbed total hydrogen concentrations were ≥ 70 ppm for the HEA and approximately 40 ppm for the MEA-type. Although both materials have different chemical composition, the TDA spectra were comparable. In addition, it was shown that the consideration of the sample geometry is an important influence on the sample temperature. It decreases the effective applied heating rate, which must be anticipated for each hydrogen peak after deconvolution of the spectra. This increases the activation energy and shifts the peak to lower temperatures. As a result, microstructure effects can be separated from experimental boundary conditions like the concentration gradient due to the charging process and later thermal activation.
Competence Centre H2Safety@BAM – Safeguarding the Quality Infrastructure in the Hydrogen Economy
(2022)
Hydrogen is a central component of the energy transition and the European Green Deal for a climate-neutral Europe. To achieve the goals defined for 2050, the EU and the German government have developed a framework for action and are making long-term investments in research, development, and the rapid implementation of innovative hydrogen technologies.
With the Competence Centre "H2Safety@BAM", BAM is creating the safety-related prerequisites for the successful implementation of hydrogen technologies at national as well as European level.
To this end, BAM conducts research, testing and consulting in a holistic and inter-disciplinary manner under one roof – in the Competence Centre H2Safety@BAM. The activities of the competence centre focus on ensuring the safety of infra-structures, plants, and processes as well as innovative hydrogen transport and storage systems based on digital quality testing and the experimental testing of components and systems. It thus creates the prerequisites for the implementation and adaptation of legal framework conditions as well as for standardization. Closely related to this are investigations into the properties and compatibility of metallic materials and polymers as well as friction systems for the safe operation of components, plants, processes, and systems. This interdisciplinary and holistic approach is complemented by the development of gas analytics and suitable sensors, online measurements of gas properties in process control, test scenarios under real conditions as well as impact assessments of accidents and risk assessments and risk management systems derived from them. With its portfolio of tasks and competences, BAM builds trust in the safety and reliability of technical system solutions for hydrogen.
Druckbehälter mit großen Wandstärken (250+ mm) aus hochwarmfesten, niedriglegierten Stählen werden hauptsächlich Mehrdraht-Unterpulver-(UP) geschweißt. Der damit verbundene hohe Energieeintrag führt unter anderem zu hohen lokalen Schweißeigenspannungen, welche bei unsachgemäßer Prozessführung der notwendigen Wärmenachbehandlung (PWHT) zu Spannungsrelaxationsrissen (SRR) führen. In den Bewertungskriterien zur SRR-Anfälligkeit finden weder die, mit klassischen, freischrumpfenden Schweißversuchen nicht abbildbaren, erhöhten Eigenspannungen aus der Schrumpfbehinderung der Bauteilsteifigkeit Beachtung, noch damit einhergehende metallurgischen Effekte.
Die Aufheizrate des PWHT als Einflussfaktor für die SRR-Bildung bleibt blieb bisher unbeachtet. Daher wurde eine Versuchsmethodik entwickelt, die eine mögliche SRR-Anfälligkeit durch die Kopplung von thermischer und mechanischer Beanspruchung untersucht. Dazu wurden Proben mit unterschiedlichen Gefügen thermisch simuliert und während des PHWT repräsentativ mit sehr hohen Lasten/Eigenspannungen mechanisch beansprucht. Dazu wurde das as-welded UP-Schweißgut und die thermisch simulierte GKZ eines 13CrMoV9-10 Stahls untersucht und an Kleinzugproben, die Dehnung bei variablen Querspannungen und Aufheizraten gemessen.
Komponenten aus dickwandigen, hochwarmfesten CrMoV-Stählen erfordern eine anspruchsvolle UP-Schweißverarbeitung. Dabei muss die notwendige Wärmenachbehandlung der Schweißnaht (PWHT) sicher beherrscht werden. Hier kann u.U. Bauteilversagen infolge von Spannungsrelaxationsrissbildung (SRR) auftreten. Bislang erfolgt die Beurteilung der SRR-Neigung primär über Ersatzgrößen, wie temperaturbedingte Änderung der Härte und Duktilität.
Die Wirkung der konstruktiven Schrumpfbehinderung einer Schweißnaht auf die SRR ist bislang völlig unbekannt.
Hier setzt das Forschungsprojekt an, hinsichtlich der Gewinnung und Optimierung der Parameter für die PWHT unter realitätsnahen Bauteilsteifigkeiten (definierte Einspannbedingung) mit dem Ziel der SRR-Vermeidung. Am Beispiel des niedriglegierten, hochwarmfesten Stahls 13CrMoV9-10 wurden UP-Schweißungen unter industriepraktischen
Bedingungen freischrumpfend bzw. unter definierter Schrumpfbehinderung durchgeführt. Diese wurden mit unterschiedlichen PWHT-Szenarien (Variation der Aufheizrate und Endtemperatur) beaufschlagt. Die Ergebnisse des Projektes DVS 01.2261 / IGF 20171 N werden in diesem Beitrag vorgestellt.
Für eine signifikante Festigkeitssteigerung von vergüteten, hochfesten Feinkornbaustählen mit einer Normstreckgrenze > 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 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. Zuzüglich können moderne Schweißprozesse, wie MSG mit modifiziertem Sprühlichtbogen (mod. SLB) durch ihre hohe Wärmeeinwirkung die Phasenumwandlung in der Wärmeeinflusszone negativ beeinflussen. Eine unerwünschte Eigenschaft ist dabei die Erweichung (engl.: softening) der WEZ, wie auch u.U. der gegenteilige Effekt der Aufhärtung (engl.: hardening). Vor diesem Hintergrund werden im Rahmen eines DFG-Vorhabens systematisch Mikrolegierungsrouten mit variierenden Ti- und Nb-Gehalten des hochfesten und vergüteten Feinkornbaustahls S690QL untersucht. Dazu wird das MAGSchweißen mit mod. SLB verwendet, welches durch hohe Abschmelzleistung gekennzeichnet ist und schmalere Fugenöffnungswinkel (α = 30°) ermöglicht. An diesen Schweißungen wird der Effekt der metallurgischen Zusammensetzung in Kombination mit hoher Wärmeeinwirkung auf dDie 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 ThermoCalc 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, mittels erster Untersuchungen den Einfluss der Wärmeeinwirkung auf die Gefügeausbildung in der WEZ zu zeigen. Insbesondere wird hier auf die Auswirkung der unterschiedlichen Mikrolegierungskonzepte (Ti oder Nb) geachtet.
In Neutron-Bragg-Edge Imaging (NBEI) in situ experiments, we studied the phase transitions in martensitic steel sheets during butt-welding. Gas tungsten arc welding was used with a motorized torch allowing automated weldments. The austenitization in the heat affected zone underneath the welding head could be clearly visualized. Also, the retransformation into the martensitic phase upon cooling. However, we observed an unexpected additional change in transmission at λ = 0.44 nm that is at a wavelength larger than the wavelength of the Bragg edges of both the martensitic and austenitic phases. We attribute this change to the Deybe-Waller-Factor that describes the temperature dependence of coherent scattering at a crystal lattice. With help of temperature field simulations that were calibrated by the reading of anattached thermo couple during welding, we could show that the Debye-Waller factor can produce an additional image contrast.
Martensitic 9 %-Cr steels like P91 and P92 can show an increased susceptibility to delayed hydrogen assisted cracking. The focus of this study was the microstructure and heat treatment effect on the mechanical properties of P92 base material and P91 multi-layer weld metal in both as-welded and post weld heat treated (PWHT) condition.
Tensile tests with hydrogen free reference samples and electrochemically hydrogen charged samples were carried out, the mechanical properties were assessed and supported by dedicated fractographic analysis. In addition, hydrogen and microstructure dependent fracture criteria were calculated. All investigated microstructures showed a hydrogen influenced degradation of the mechanical properties compared to the hydrogen free reference samples. In that connection, the as welded martensitic P91 weld metal had the highest degree of degradation in presence of hydrogen. The P91 PWHT weld metal and the P92 base material had comparable properties. From that point of view, a significantly increased risk for hydrogen assisted cold cracking during welding fabrication of P91 weld joints must be considered before any heat treatment is conducted.
The new alloying concept of multi-element systems with defined entropy (HEA - High Entropy Alloy or MEA - Medium Entropy Alloy) is gaining increasing importance in materials research. Significantly improved properties or combinations of properties are shown by some HEA/MEA-systems. Thus, primarily the production and resulting microstructures of HEA as well as properties have been investigated so far. Furthermore, processing is a main issue to transfer HEA systems from the laboratory to real components. Since welding is the most important joining process for metals, it is crucial to investigate the influence of welding to guarantee component integrity. Welding leads to residual stresses, which significantly affect the component integrity. Hence, the focus of this study is the residual stress formation and distribution in a CoCrFeMnNi HEA and ternary CoCrNi MEA using two different welding processes: Tungsten Inert Gas (TIG) welding and soldi-state Friction Stir Welding (FSW). As a pathway for application of HEA in this investigation for the first-time residual stress analyses in realistic near-component specimens were performed. The residual stresses were determined by X-ray diffraction (XRD) on the surfaces of top and root weld side. The results were correlated with the local welding microstructures. The results show that both FSW and TIG generate significant tensile residual stresses on the weld surfaces in and transverse to the welding direction. In the case of FSW of the CoCrFeMnNi HEA, the longitudinal residual stresses are in the range of the yield strength of approx. 300 MPa in the weld zone.
Medium and High Entropy Alloys (MEA/HEA) are recently developed material classes, providing manifold applications, e.g., due to extraordinary structural properties. In that connection, the machinability as important issue for the processing of these materials was not in the scientific focus. This study focusses on experimental analysis of milling process conditions including ultrasonic assisted milling (USAM) and their effects on the resulting surface integrity of equiatomic CoCrFeNi-MEA specimens. For that reason, milling parameters (cutting speed, feed per cutting edge) were systematically varied for both conventional milling and USAM. The surface integrity was analyzed in terms of topography, defects, and residual stresses. Especially USAM leads to a decrease of occurring cutting forces and, hence, to an improvement of the surface integrity. Beneficial effects were observed in terms of lower tensile residual stresses at high cutting speed and feed per cutting edge.
The new multi-element alloying concept of systems with defined entropy (HEA - High Entropy Alloy or MEA - Medium Entropy Alloy) is increasing in materials research interest. Improved properties or combinations of properties are shown by several systems. Thus, the resulting microstructures and production of HEA/MEA as well as properties have been primarily investigated so far. Furthermore, processing is a key issue to transfer HEA/MEA systems to real components. Since welding is the most important joining process for metals, it is crucial to investigate the influence of welding to guarantee component integrity. Since most HEA are made of expensive alloying elements such as Co or Ni, they will not be used entirely as structural materials. Thus, it can be advantageous to weld conventional alloys such as austenitic stainless steels with the HEA and MEA to produce components that are both application-oriented and economically viable. Therefore, in this paper, first results of dissimilar metal welding, by tungsten inert gas- (TIG) and friction stir welding (FSW), of a CoCrFeMnNi HEA as well as a CoCrNi MEA with a conventional AISI 304 austenitic stainless steel are presented. The focus is on the microstructure formation due to the two welding processes. The results of TIG welding show a dendritic microstructure, whereas in FSW both materials are stirred but still coexist.
Influence of Residual Stresses on Stress Relief Cracking of Thick Walled Creep Resistant Steel Welds
(2022)
Controlling the residual stress level during welding of creep-resistant Cr-Mo-V steels is crucial to avoid so called stress relief cracking (SRC) during post weld heat treatment (PWHT) of large-scale components. In the present study, a laboratory scale test specimen (400 mm x 400 mm x 25 mm) was used to simulate thick-walled component welds made of 13CrMoV9-10. The aim was to identify the level and distribution of residual stresses to evaluate the suitability of the specimen for laboratory based SRC testing. High restraint was ensured by the specimen geometry with a narrow welding gap in the center. This gap was filled by submerged arc welding in a multi-layer technique. Two specimens were welded with identical parameters and compared in the as-welded state and after PWHT (705 °C for 10 h). Neutron diffraction was used to determine the residual stresses in the weld metal, the heat-affected zone (HAZ) and the base material at different depths longitudinal, transverse, and normal to the welding direction. The experiments were performed on the instrument E3 of the research reactor BERII of HZB Berlin, Germany. Complementarily, laboratory X-ray diffraction was applied to characterize the surface residual stresses. In the welded state, especially in the weld metal and the adjacent HAZ, the residual stress can reach the yield strength of the untreated material. The highest levels occur in the longitudinal direction. The transverse and normal directions are characterized by residual stress of lower magnitude. As expected, the residual stress is almost completely relieved after PWHT.
Offshore wind turbines continuously increase in size and weight and demand adequate offshore foundations concepts like monopiles, tripods or jackets. These components are typically submerged arc welded (SAW) 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 complicate 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 22 passes and a seam length of 1,000 mm. Additional welded stiffeners simulated the effect of a high restraint, to stimulate critical HAC conditions. The residual stresses were determined by a robot XRD goniometer. A least square regression analysis of the sin²ψ-law by using multiple ψ- and φ-tilts was applied. Tensile residual stresses up to the yield limit are found both in the weld metal and in the heat-affected zone. Numerical modelling allowed the qualitative estimation of the hydrogen diffusion in the weld, enabling the determination of critical conditions for the formation of HAC. In a future step, a structural simulation will allow the assessment of the welding residual stresses and the comparison to the XRD-values.
Dieses Dokument fasst den Projekfortschritt des BAM-Projektes "Entwicklung von Wärmenachbehandlungsstrategien zur Vermeidung von Spannungsrelaxationsrissen" im Rahmen des Fachausschusses 1 "Schweißmetallurgie" des DVS e.V. für das Projektjahr 2021 zusammen und stellt die wichtigsten Ergebnisse in Kurzform vor.
In vielen Bereichen des industriellen Stahlbaus, wie z. B. bei Mobilkränen und im Offshore-Bereich, werden seit langem hochfeste Feinkornbaustähle mit einer Streckgrenze von über 690 MPa eingesetzt. Um die notwendige Tragfähigkeit zu gewährleisten, erfordert die schweißtechnische Verarbeitung dieser Stähle eine zuverlässige Kenntnis des komplexen Zusammenspiels zwischen dem Schweißprozess, der zugrundeliegenden Wärmeeinbringung und den entsprechenden Abkühlungsbedingungen, der chemischen Zusammensetzung von Grund- und Zusatzwerkstoff und den daraus resultierenden metallurgischen Phänomenen in der Schweißnaht und der WEZ. Mikrolegierungselemente wie Ti und Nb leisten einen unverzichtbaren Beitrag zur Erhöhung der Festigkeit durch Ausscheidungshärtung. Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass ein signifikanter Einfluss der Mikrolegierungselemente auf die Phasenumwandlung hinsichtlich der Aufhärtung und/oder Erweichung der Wärmeeinflusszone angenommen werden kann. Die Normvorgaben für die chemische Zusammensetzung nach DIN EN 10025-6 geben dem Hersteller oft nur Grenzen vor, um die gewünschten mechanischen Eigenschaften zu erreichen. Die Wirkung der Legierungselemente und der entsprechenden Ausscheidungen (Karbide und/oder Nitride) ist manchmal völlig konträr, insbesondere bei Auflösung und Wiederausscheidung in der WEZ bei identischem Zusatzwerkstoff. Dies erschwert eine adäquate Vorhersage der Chargenabhängigkeit im Hinblick auf die Schweißbarkeit und die Belastbarkeit der Schweißnaht. Das Fügen dieser Stähle erfolgt hauptsächlich durch das Metall-Schutzgasschweißen (MSG). Moderne Inverterschweißquellen und mikroelektronische Steuerungstechnik ermöglichten den Einsatz von gesteuerten Lichtbogenvarianten, wie dem modifizierten Sprühlichtbogen. Diese Lichtbogenvariante zeichnet sich durch mehrere Eigenschaften aus, wie z.B. reduzierte Nahtöffnungswinkel und erhöhte Abschmelzleistungen. Wobei sich diese hohe Wärmeeinwirkung negativ auf die Phasenumwandlung in der WEZ auswirken kann. Eine unerwünschte Eigenschaft ist die Erweichung der WEZ, ebenso wie der gegenteilige Effekt der Aufhärtung.
In many industrial steel construction branches, like mobile cranes and the offshore sector, high-strength fine-grained structural steels with a yield strength of over 690 MPa have long been used. To guarantee the necessary load-bearing capacity, the welding processing of these steels requires reliable knowledge of the complex interaction between the welding process, its underlying heat input and corresponding cooling conditions, chemical composition of base and filler materials, and resulting metallurgical phenomena in the weld seam and HAZ. Microalloying elements such as Ti and Nb make an indispensable contribution to increasing the strength by precipitation hardening. Previous investigation has shown that significant influence of the microalloying elements on the phase transformation can be assumed regarding the hardening and/or softening of the heat-affected zone. The standard specs for the chemical composition according to DIN EN 10025-6 often just specify chemical limitations for the manufacturer to achieve the desired mechanical properties. The effect of the alloying elements and the corresponding precipitates (carbides and/or nitrides) is sometimes entirely contrary, especially in case of dissolution and re-precipitation in the heat-affected zone (HAZ) with identical filler metal. This makes an adequate prediction of the batch dependency with regard to weldability and the load-bearing capacity of the welded joint difficult. The joining of these steels is mainly carried out by gas metal arc welding (GMAW). Modern inverter welding sources and micro-electronics control technology enabled the use of controlled arc variants, such as the modified spray arc (Mod. SA). Several characteristics from this arc variant e.g. reduced weld seam opening angles and increased deposition rates. Whereby this high heat exposure can have a negative effect on the phase transformation in the HAZ. An undesirable property is the softening of the HAZ, as well as the opposite effect of hardening.
Joining processes for components in hydrogen technologies: Current need and future importance
(2022)
This presentation gives an overview on the importance of joining processes for component fabrication in hydrogen technologies. For that reason, the current need and future research and developement activites are highlighted for the three technological fields: hydrogen storage, transport and use (in terms of the emerging field of additive manufacturing). Finally, some remarks are given for necessary changes in the standardization.
Bewertungsmethode zur Interaktion von Metallurgie und Reaktionskräften beim PWHT warmfester Stähle
(2022)
Die Präsentation fasst die Entwicklung einer Ersatzprüfmethode für sogenannte Stress-Relief-Cracks (SRC) bei dickwandigen und kriechfesten geschweißten Stahlkomponenten zusammen. Über die Kombination von gezielter mechanischer Beanspruchung unter hoher Temperaturbeanspruchung werden die Effekte des Post Weld Heat Treatments auf SRC realistisch erstmal auf Laborskala nachgebildet.
Die Vortrag gibt einen Überblick, warum Kaltrissprüfung von geschweißten Stählen ständig weiterentwickelt werden muss. Am Beispiel des Implant- und Tekken-Tests werden die Einsatz- u. Anwendungsgrenzen bewertet. Zu berücksichtigen ist, dass beim Schweißen eine äußere mechan. Beanspruchung durch bauteilspezifische Steifigkeitsverhältnisse wirksam ist. Zusätzlich werden weiterführende Prüfverfahren zur Bestimmung der Wasserstoffkonzentration und -diffusion in Schweißnähten vorgestellt, wie die Trägergasheißextraktion (TGHE) für die Ermittlung der Wasserstoffkonzentration (ISO 3690) oder Hochtemperaturdiffusionskoeffizienten. Diese Werte sind für die schweißtechnische Praxis von großer Bedeutung, um Haltezeiten z.B. für das Wasserstoffarmglühen abzuleiten.
High and medium entropy alloys gained increasing academic and industrial interest as novel materials for engineering applications. This project is aiming to clarify and compare the general and local corrosion properties of high entropy alloy CrMnFeCoNi and medium entropy alloy CrCoNi in different aqueous environments. The focus lies on the local corrosion processes that result either from microstructural imperfections (inclusions, defects at grain boundaries etc.) in the base material or processing related changes in the microstructure and/or local composition.
The corrosion behavior of the alloys was monitored via potentiodynamic polarization experiments and the local corrosion characteristics were further investigated by means of scanning electrochemical microscopy (SECM). Their passivation behavior was analyzed in three different electrolyte systems (NaCl, H2SO4 and NaClO4; c = 0.1M). The characterization of the surface morphology and composition of the passive film was performed by means of atomic force microscopy (AFM), scanning electron microscopy coupled with energy dispersive X-Ray spectroscopy (SEM/EDX) and X-Ray photoelectron spectroscopy (XPS), respectively.
Considering long term corrosion effects, electrochemical work was supported with immersion tests and the analysis of corrosion products by SEM/EDX and XPS depth-profiling. Our results indicate that the medium entropy alloy CrCoNi has a significantly higher corrosion resistance due to the higher concentration of Chromium in comparison to the high entropy alloy CrMnFeCoNi. The presentation will summarize our results on the mechanistical aspects of the observed high corrosion resistance.
High and medium entropy alloys gained increasing academic and industrial interest as novel materials for engineering applications. This project is aiming to clarify and compare the general and local corrosion properties of high entropy alloy CrMnFeCoNi and medium entropy alloy CrCoNi in different aqueous environments. The focus lies on the local corrosion processes that result either from microstructural imperfections (inclusions, defects at grain boundaries etc.) in the base material or processing related changes in the microstructure and/or local composition.
The corrosion behavior of the alloys was monitored via potentiodynamic polarization experiments and the local corrosion characteristics were further investigated by means of scanning electrochemical microscopy (SECM). Their passivation behavior was analyzed in three different electrolyte systems (NaCl, H2SO4 and NaClO4; c = 0.1M). The characterization of the surface morphology and composition of the passive film was performed by means of atomic force microscopy (AFM), scanning electron microscopy coupled with energy dispersive X-Ray spectroscopy (SEM/EDX) and X-Ray photoelectron spectroscopy (XPS), respectively.
Considering long term corrosion effects, electrochemical work was supported with immersion tests and the analysis of corrosion products by SEM/EDX and XPS depth-profiling. Our results indicate that the medium entropy alloy CrCoNi has a significantly higher corrosion resistance due to the higher concentration of Chromium in comparison to the high entropy alloy CrMnFeCoNi. The presentation will summarize our results on the mechanistical aspects of the observed high corrosion resistance.
High and medium entropy alloys gained increasing academic and industrial interest as novel materials for engineering applications. This project is aiming to clarify and compare the general and local corrosion properties of high entropy alloy CrMnFeCoNi and medium entropy alloy CrCoNi in different aqueous environments. The focus lies on the local corrosion processes that result either from microstructural imperfections (inclusions, defects at grain boundaries etc.) in the base material or processing related changes in the microstructure and/or local composition.
The corrosion behavior of the alloys was monitored via potentiodynamic polarization experiments and the local corrosion characteristics were further investigated by means of scanning electrochemical microscopy (SECM). Their passivation behavior was analyzed in two different electrolyte systems (NaCl and H2SO4 c = 0.1M). The characterization of the surface morphology and composition of the passive film was performed by means of atomic force microscopy (AFM), scanning electron microscopy coupled with energy dispersive X-Ray spectroscopy (SEM/EDX) and X-Ray photoelectron spectroscopy (XPS), respectively. To analyze the semiconducting properties of the passive film Mott-Schottky analysis was conducted.
Considering long term corrosion effects, electrochemical work was supported with immersion tests and the analysis of corrosion products by SEM/EDX, ICP-MS and XPS depth-profiling. Our results indicate that the medium entropy alloy CrCoNi has a significantly higher corrosion resistance due to the higher concentration of chromium in comparison to the high entropy alloy CrMnFeCoNi. The presentation will summarize our results on the mechanistical aspects of the observed high corrosion resistance.
High and medium entropy alloys gained increasing academic and industrial interest as novel materials for engineering applications. This project is aiming to clarify and compare the general and local corrosion properties of high entropy alloy CrMnFeCoNi and medium entropy alloy CrCoNi in different aqueous environments. The focus lies on the local corrosion processes that result either from microstructural imperfections (inclusions, defects at grain boundaries etc.) in the base material or processing related changes in the microstructure and/or local composition.
The corrosion behavior of the alloys was monitored via potentiodynamic polarization experiments and the local corrosion characteristics were further investigated by means of scanning electrochemical microscopy (SECM). Their passivation behavior was analyzed in three different electrolyte systems (NaCl, H2SO4 and NaClO4; c = 0.1M). The characterization of the surface morphology and composition of the passive film was performed by means of atomic force microscopy (AFM), scanning electron microscopy coupled with energy dispersive X-Ray spectroscopy (SEM/EDX) and X-Ray photoelectron spectroscopy (XPS), respectively.
Considering long term corrosion effects, electrochemical work was supported with immersion tests and the analysis of corrosion products by SEM/EDX and XPS depth-profiling. Our results indicate that the medium entropy alloy CrCoNi has a significantly higher corrosion resistance in comparison to the high entropy alloy CrMnFeCoNi. The presentation will summarize some of our results on the mechanistical aspects of the observed high corrosion resistance.
Der konstruktive Leichtbau erfordert den zunehmenden Einsatz hochfester Feinkornbaustähle mit Streckgrenzen bis zu 1300 MPa. Um darüber hinaus Schweißzeit, Schweißnahtvolumina und Schweißkosten zu minimieren, kam es zur Entwicklung moderner Lichtbogenprozesse mit erhöhter Abschmelzleistung, wie bspw. dem modifizierten Sprühlichtbogen. Das Schweißen mit modifiziertem Sprühlichtbogen bietet die Möglichkeit, schmalere Nahtfugen bzw. kleinere Nahtöffnungswinkel zu schweißen. Mit zunehmender Festigkeit der Baustähle steigen allerdings die Anforderungen an die schweißtechnische Verarbeitung. Hochfeste Feinkornbaustähle weisen ein erhöhtes Risiko gegenüber der wasserstoffunterstützten Kaltrissbildung auf. Diese Werkstofftrennungen entstehen unter gemeinsamer Wechselwirkung von lokalem risskritischem Gefüge, lokal erhöhter Wasserstoffkonzentration und lokal erhöhter Beanspruchung bzw. Dehnung. Untersuchungen haben gezeigt, dass der Einsatz des modifizierten Sprühlichtbogens in Verbindung mit schmalen Nahtfugen zu erhöhten Wasserstoffkonzentrationen im Schweißgut führt. Die vorliegende Arbeit gibt einen Aufschluss hinsichtlich der Kaltrissempfindlichkeit des vergüteten, hochfesten Feinkornbaustahls S960QL anhand der durchgeführten Kaltrissprüfung mittels selbstbeanspruchenden TEKKEN-Tests. Dazu wurden die Nahtöffnungswinkel der Prüfnähte zwischen 30° (Einsatz des modifizierten Sprühlichtbogens) und 60° (Einsatz des konventionellen Übergangslichtbogens) variiert. Ferner wurde die Wirksamkeit einer Nachwärmprozedur aus der Schweißwärme heraus zur Vermeidung der wasserstoffunterstützte Kaltrissbildung untersucht. Die Ergebnisse weisen in allen Proben (ohne Nachwärmung) Kerbrisse auf, welche als Kaltrisse identifiziert werden konnten. Durch eine Nachwärmung unmittelbar nach dem Schweißen können diese gänzlich vermieden werden. Das Schweißgut mit modifizierten Sprühlichtbogen weist die höchsten mittleren Wasserstoffkonzentrationen auf. Ferner zeigt das Schweißgut unter reduziertem Nahtöffnungswinkel eine vermehrte Mikrorissbildung auf.
Experimentelle Charakterisierung der WIG-Schweißeignung einer Hoch- und Mediumentropie-Legierung
(2021)
Equiatomic multi-element systems with defined entropy are a relatively new mate-rial concept for alloy production. These alloys consist of at least five elements in equiatomic distribution in the case of high entropy alloys (HEA) and three to four elements in equiatomic distribution in the case of medium entropy alloys (MEA). Previous studies on these alloys have focused primarily on their production, micro-structure and the resulting material properties. Meanwhile, the focus here is on the processing of the alloys and their influence on future applications. Up to now, there has been insufficient knowledge of the materials and processes involved in weld-ing.
In this work, therefore, the weldability of a CoCrFeMnNi-HEA and a CoCrNi-MEA by means of a TIG welding process was investigated as a basic system. To this end, the welding parameters were first determined on a reference alloy (Ni-based: 2.4858) and transferred to the welding of the CoCrFeMnNi-HEA and CoCrNi-MEA. Weldability was assessed by testing the absence of defects and microstructures obtained. The weld metal exhibited the dendritic microstructure typical of TIG, with microsegregations forming as interdendritic phases. Increased hardness was de-tected in the weld metal compared to the base metal. In the heat-affected zone, there was little grain growth and, in both alloys, the formation of hot cracks after welding. The cause of the cracks was to be found in the specimen preparation, which had an influence on the subsequent processing. After elimination of this in-fluence, no welding process-related imperfections were found in the CoCrFeMnNi-HEA and CoCrNi-MEA.
In summary, both materials show good fusion weldability by TIG welding. The re-sults of this work thus contribute to the understanding of the weldability of HEA and in particular for CoCrNi-MEA, which was considered in this depth for the first time.
High entropy alloys (HEA) are a new class of materials. In contrast to conventional alloys, HEA are single-phase alloys with at least five alloying elements. HEAs have enormous application potential due to (postulated) excellent structural property combinations from low to high temperatures. For HEA-application as structural materials in real components, a key issue is the suitability for joining processing. Requirements for the reliable and safe joining of these materials are crucial regarding economical component manufacture for future applications. In this context, friction stir welding (FSW) is a promising joining process due to the welding process temperature below the material melting point avoiding major issues, e. g. formation of (hard and brittle) intermetallic phases, which may have detrimental influences on the weld joint properties.
This study presents elementary research about the FSW process influences on a CoCrFeMnNi-HEA with focus on the microstructure and mechanical properties. For that purpose, the FSW joint of the HEA is compared to that of an austenitic stainless steel AISI 304. The microstructures of the welds were investigated and characterized by means of light microscopy, SEM, EBSD and XRD. Hardness and tensile testing were applied to determine influences on the mechanical properties. Generally, a comparable weldability of HEA and AISI 304 in terms of metallurgical characteristics and resulting mechanical properties exhibited. For the weld joints of both materials typical characteristics regarding FSW were observed within the weld metal and thermo-mechanically influenced zone: fine-grained stirred zone with increased hardness and reduced fracture elongation compared with the respective base material.
Multi-element systems with defined entropy (HEA - High Entropy Alloy or MEA - Medium Entropy Alloy) are rather new material concepts that are becoming increasingly important in materials research and development. Some HEA systems show significantly improved properties or combinations of properties, e.g., the overcome of the trade-off between high strength and ductility. Thus, the synthesis, the resulting microstructures, and properties of HEA have been primarily investigated so far. In addition, processing is crucial to achieve a transfer of potential HEA/MEA materials to real applications, e.g. highly stressed components. Since fusion welding is the most important joining process for metals, it is of vital importance to investigate the weldability of these materials. However, this has rarely been the subject of research up to date. For that reason, in this work the weldability depending on the surface preparation of a CoCrFeMnNi-HEA and a CoCrNi-MEA for TIG welding is investigated. The fusion welding of longer plates is described here for the first time for the CoCrNi alloy. The welds of both materials showed distinct formation of cracks in the heat affected zone (HAZ). Optical and scanning electron microscopy analysis clearly confirmed an intergranular fracture topography. But based on the results, the crack mechanism cannot be conclusively clarified as either a liquid metal embrittlement (LME) or hot cracking like liquid film separation occurred.
Um die Absorption von Wasserstoff und dessen Verhalten in den Werkstoffen beim Einsatz unter Druck-H2 sowie die H- abhängigen Materialeigenschaften zu definieren, entwickelt die BAM mit ihrer langjährigen Erfahrung adäquate Prüfkonzepte, die einsatzrelevante Bedingungen und reale Beanspruchungen (Temperatur, Wasserstoff und mech. Beanspruchung) hierarchisch berücksichtigen. Der Vortrag gibt eine Einführung in das Thema von wasserstoffunterstützen Materialschäden durch die Problematik der Einspeisung von Wasserstoff in bestehende Erdgasnetze. Ferner wird auf die Hochdruck-Infrastruktur (sowie H2-Tankstellen) und die Entwicklung von Prüfkonzepten für die Gasinfrastruktur unter Druckwasserstoffbeaufschlagung eingegangen.
Influence of Hydrogen Uptake and Diffusion in Structural Components in the Field of Renewable Energy
(2021)
Great efforts are invested worldwide in the development of efficient electrolysis processes, fuel cells technologies and hydrogen transport and storage infrastructures. This includes the exploitation of existing gas-grid infrastructure for the injection of hydrogen. Considering transport and storage facilities, the utilization of gaseous hydrogen can be divided into two main groups which are differentiating in the pressure regime. Fueling stations are operating in high pressure (>800 bar) and high purity and therefore use austenitic stainless steels in their compression systems. On the other hand, existing gas infrastructure where the natural gas is transported across long distances is usually operating with up to 300 bar. In this case the pipe-systems consist of several steel classes, mainly low alloyed steels in which the surface quality and the gas mixture are strongly varying.
Even though ingress of hydrogen can lead to catastrophic failures in all steels, its exact impact on the mechanical properties, as well as its interaction with the surface, microstructure and lattice and the underlying mechanisms remain unclear. Therefore, research on the impact of gaseous hydrogen in pressure vessels and pipes has clearly an integral part on the path to safe and sustainable use of the different components along the different chains. This becomes even more relevant considering the influence of impurities in the gas, e.g. sulfur and with the introduction of new production technologies, such as additive manufacturing, into the market.
Determination of these interactions and impact that might lead to the degradation of the properties can allow a safe use of steels in present and future hydrogen-based energy applications.
The following contribution gives an overview of the problem and introduction to the conventional and innovative tools used and developed nowadays to analyze it. For this purpose, materials were loaded with hydrogen by electrochemical means and under high pressure and elevated temperatures. The results presented provide an invaluable insight into the impact of hydrogen on the integrity of selected steels used in the two mentioned above applications. This work is part of an ongoing research in which mechanical, chemical, structural, and microstructural analyses tools are combined in-situ and ex-situ.
The use of the oscillating magnetic field as a backing support for the welding of thick components is already known. The influence of the magnetic field and the induced Lorentz forces in the melt on the melt pool geometry and the fluid flows is not yet fully investigated. The study deals with the determination of the influence of an externally applied oscillating magnetic field on the melt pool dynamics in high power laser hybrid welding process. An AC magnet was positioned under the specimen to create an electromagnetic force directed upwards to oppose dropping. To visualise the flow characteristics of the melt, several experiments were carried out using a technique specifically designed for this purpose with mild steel made of S355J2 with a wall thickness of 20 mm and a quartz glass in a butt configuration. A high-speed camera was used to monitor the geometry of the melt pool through the glass. The influence of the magnetic field orientation to the welding direction and the oscillation frequency on the molten pool was investigated for the case of the metal-glass configuration and for laser hybrid welding. The high-speed recordings were analysed with the Optical Flow Algorithm to characterise the flow within the melt pool. The element distribution over the whole seam thickness was evaluated by X-ray fluorescence (XRF). The high-speed analysis showed that in the melt pool two vortices are formed, one in the upper part and the other in the lower part. In the region where the two vortices come together, a narrow region (necking region) forms in the melt pool. The evaluation of the high-speed recordings shows that the depth of the region where the two vortices meet is strongly influenced by the oscillation frequency. Additionally, the oscillation frequency demonstrated a greater influence on the melt pool dynamics and the mixing of the elements of the filler wire.
This study gives an overview on the important field of joining processes for component fabrication in hydrogen technologies. For that reason, the current need and future research and developement activites are highlighted for the different technological field of hydrogen generation, storage, transport and use. In addition, the emerging field of additive manufacturing is included. Finally, some remarks are given for necessary changes in the standardization and its challenges.
This presentation summarizes the latest results on the BAM-Themenfeld project SURDIA on processing of high-entropy alloys (HEAs) at BAM. At first, the influence of machining by ultrasonic-assisted milling on the surface integrity is presented. Second, the weld processing by Tungsten Inert Gas (TIG) welding is presented and the results of the Friction Stir Welding (FSW), which is conducted at BAM for the first time.
Increasing environmental problems with conventional energy technology are stimulating the demand for alternative energy solutions. With air quality reaching catastrophic levels in large cities worldwide, Fuel Cell Electric Vehicles offer the ideal combination of clean power with the amenities of electric drives. Hydrogen use on vehicles, nevertheless, also raises some issues about safe handling. As fuel cells and hydrogen applications, including vehicles, approach technological maturity, developing their business cases becomes crucial in introducing them to the consumer markets.
The Joint European Summer School JESS 2021 addresses these issues by offering high quality graduate level courses on selected topics of vehicle technology, innovation & business development, safe handling of hydrogen, and modelling. This series of summer schools has been ongoing since 2004 and targets an audience of university students (MSc and PhD levels) and post-doctoral researchers. We also welcome more experienced researchers and engineers wishing to expand their general knowledge, for instance, to suit a newly acquired position or collect credits for Continuous Professional Development (CPD). The course content is tailored to the needs of a diverse audience: newcomers to the field, experienced students, and young professionals working at the forefront of fuel cell and hydrogen applications.
High entropy alloys are a new class of materials. In order to transfer their use to real components, their machinability must be investigated. For this purpose, preliminary investigations were carried out on samples from the TU Chemnitz in order to apply for a joint project based on these investigations.
Offshore-Windenergieanlagen bilden einen zentralen Bestandteil der zukünftigen Energieerzeugung. Hierzu notwendige Gründungs- und Turmstrukturen werden vorrangig aus UP-geschweißten Blechen aus hochfesten niedriglegierten Stählen mit Dicken bis zu 200 mm hergestellt. Die großen Blechdicken begünstigen hohe Schweißeigenspannungen und lange Diffusionswege für z.B. über den Schweißprozess eingebrachten Wasserstoff. Damit steigt das Risiko für eine wasserstoffunterstützte Kaltrissbildung (WKB) an. Zum sichereren Ausschluss von WKB in den geschweißten Komponenten wird in Abhängigkeit der Nahtgröße, Wärmeeinbringung und Stahlsorte eine Mindestwartezeit (MWZ) von bis zu 48 h empfohlen, bevor die zerstörungsfreie Prüfung durchgeführt wird. Es ist allerdings offen, ob die empfohlene MWZ zu konservativ ist. Einflüsse sind hier bspw. die schwierige Bewertung des Wasserstoffdiffusionsverhaltens im heterogenen UP-Mehrlagen-Schweißgut (SG) im Vergleich zum Grundwerkstoff (GW). Zudem sind nur sehr begrenzt H-Diffusions-koeffizienten für UP-Mehrlagen-SG als Grundlage zur Abschätzung des Zeitintervalls einer möglichen verzögerten Kaltrissbildung (somit MWZ) oder auch für Nachwärmprozeduren zur Wasserstoffreduktion (keine MWZ) verfügbar. Verlässliche H-Diffusionskoeffizienten sind daher ein adäquates Tool zur Bewertung des Risikos einer verzögerten WKB. Dieser Beitrag beschreibt Untersuchungen zur Charakterisierung der Wasserstoffdiffusionsverhalten in UP-Mehrlagen-SG eines 60 mm dicken Bleches einer Offshore-Stahlgüte. Dazu wurden Proben unterschiedlicher Dicke aus dem reinen Schweißgut extrahiert und über elektrochemische Permeation und Trägergasheißextraktion im Temperaturbereich bis 400 °C sehr interessante Ergebnisse zu den korrespon-dierenden Diffusionskoeffizienten erarbeitet. Es zeigte sich, dass:
1. Diffusionskoeffizienten bei Umgebungstemperatur als Tool zur Bewertung einer MWZ geeignet sind. Jedoch veränderte sich der Diffusionskoeffizient mit der untersuchten Probendicke um bis zu einer Größenordnung, d. h. daraus abgeleitete Wartezeiten differieren dementsprechend.
2. Dies deutet darauf hin, dass MWZs von bis zu 48 h einerseits möglicherweise zu konservativ gewählt sind, da der Wasserstoff schneller aus der Naht diffundiert. Andererseits muss aber auch die schnellere Diffusion in weitere potenziell risskritische Nahtbereiche, wie die WEZ, berücksichtigt werden. Daher ist noch keine direkte Aussage auf eine verallgemeinerte WKB-Anfälligkeit (ja/nein) innerhalb der MWZ möglich.
3. Im Fall einer konservativen Prävention der WKB durch Wasserstoffarmglühen (Vermeidung der MWZ) sind die Diffusionskoeffizienten bei erhöhten Temperaturen bis 400 °C zur Abschätzung der notwendigen Haltezeiten geeignet, z. B. über die numerische Simulation der Wasserstoffdiffusion.
Die Studie gibt einen kurzen Überblick über die jetzige Bedeutung der Fügetechnik in Wasserstofftechnologien und über zukünftige Forschungsbedarfe für die Branche in den einzelnen Technologiefeldern Wasserstofferzeu-gung, -speicherung, -transport und -nutzung. Fügetechnologien haben dabei wesentliche Bedeutung für die er-folgreiche Umsetzung von technischen Komponenten der Wasserstofftechnologien. Die Schwerpunkte bzw. For-schungsbedarfe ergeben sich bspw. durch die Erstellung neuer Infrastruktur für Wasserstoffspeicherung und -transport sowie durch Umnutzung der bestehenden Erdgasinfrastruktur. Bei der Wasserstofferzeugung und -anwendung wird z.B. die Entwicklung effiziente Massenproduktionsmethoden von Elektrolyseuren und Brennstoff-zellen einen wichtigen Meilenstein bilden und laserbasierte Fügetechnologien sind hier zum Teil schon etabliert. Die additive Fertigung nimmt dabei eine Querschnittsposition ein und besitzt hohes Anwendungspotential für die Zukunft z.B. für die Fertigung von Komponenten in Gasturbinen. Aus den technischen Fragestellungen und For-schungsbedarfen ergeben sich zudem Herausforderungen für die notwendige Neu- und Weiterentwicklung von technischen Regelwerken und Normen und den Eingang in die Aus- und Weiterbildung von fügetechnischem Fachpersonal.
Hochentropielegierungen sind eine neue Materialklasse. Um diese in die als reale Bauteile zu in die Anwendung zu überführen muss die Verarbeitbarkeit ausführlich erforscht werden. In dieser Präsentation werden dafür erste Ergebnisse der schweißtechnischen Verarbeitung mittels Rührreib- und WIG-Schweißen dargestellt.
Hochentropielegierungen sind deine relative neue Werkstoffklasse, mit ersten Veröffentlichungen von 2004. Seitdem wurden diese Legierungen weiterentwickelt um möglichst gute Eigenschaften zu erhalten. Um diese Eigenschaften auch für reale Bauteile genutzt zu werden, muss auch die Verarbeitbarkeit und deren Einfluss auf die Anwendungseigenschaften untersucht werden. Diese Präsentation fasst den aktuellen Stand der Forschung zusammen und ordnet erste eigene Untersuchungen in den aus der Literatur ein.
High entropy alloys (HEA) are a new class of materials. In contrast to conventional alloys, HEA are single-phase alloys with at least five alloying elements. HEAs have enormous application potential due to (postulated) excellent structural property combinations from low to high temperatures. For HEA-application as structural materials in real components, a key issue is the suitability for joining processing. Requirements for the reliable and safe joining of these materials are crucial regarding economical component manufacture for future applications. In this context, friction stir welding (FSW) is a promising joining process due to the welding process temperature below the material melting point avoiding major issues, e. g. formation of (hard and brittle) intermetallic phases, which may have detrimental influences on the weld joint properties.
This study presents elementary research about the FSW process influences on a CoCrFeMnNi-HEA with focus on the microstructure and mechanical properties. For that purpose, the FSW joint of the HEA is compared to that of an austenitic stainless steel AISI 304. The microstructures of the welds were investigated and characterized by means of light microscopy, SEM, EBSD and XRD. Hardness and tensile testing were applied to determine influences on the mechanical properties. Generally, a comparable weldability of HEA and AISI 304 in terms of metallurgical characteristics and resulting mechanical properties exhibited. For the weld joints of both materials typical characteristics regarding FSW were observed within the weld metal and thermo-mechanically influenced zone: fine-grained stirred zone with increased hardness and reduced fracture elongation compared with the respective base material.
Characterization of Hydrogen Diffusion in a Thick-walled Submerged Arc Multi-Layer Weld Joint
(2021)
The energy production of the future will be dominated by CO2-emission free techniques like wind turbines and become essential in scope of the planned hydrogen economy. As onshore installation capacity is limited, the in-crease of the number of offshore wind turbines (OWT) is a major goal. In that connection, the OWTs continuously increase in size and weight and demand adequate foundations concepts like monopiles or tripods. These compo-nents are typically manufactured from welded mild steel plates with thickness up to 200 mm. The predominant welding technique is submerged arc welding (SAW) with up to five wires. In accordance with the standards, the occurrence of delayed hydrogen assisted cracking is anticipated by either a hydrogen removal heat treatment (HRHT) or a so-called minimum waiting time (MWT) before non-destructive testing (NDT) of the respective weld joint is allowed. The reason for the MWT is the necessary time for the hydrogen diffusion at ambient temperature due the high plate thickness. Both the effectiveness of a HRHT at elevated temperatures or the MWT at ambient temperature can be estimated by calculation of the diffusion time. This time depends on reliable hydrogen diffu-sion coefficients and these are rare in literature. For that reason, this study presents the hydrogen diffusion coef-ficients obtained from a multi-layer SAW joint of an offshore steel grade. Two different experimental techniques were used to identify the respective diffusion behavior: (1) hydrogen desorption experiments with a carrier gas hot extraction analyzer at elevated temperatures for the characterization of a HRHT and (2) the electrochemical permeation technique at ambient temperature for the characterization of an MWT. From both experiments, the respective diffusion coefficients were calculated. The obtained DCs are different from those reported in literature, i.e., the duration or applicability of a HRHT or MWT must be critically discussed.
Martensitic 9 %-Cr steels like P91 and P92 show susceptibility to delayed hydrogen assisted cracking depending on their microstructure. In that connection, effective hydrogen diffusion coefficients are used to assess the possible time-delay. The small number of available diffusion coefficients varies already at room temperature by several orders of magnitude (mostly regarded as result of present microstructure). Especially P91 weld metal diffusion coefficients are rare so far. For that reason, electrochemical permeation experiments had been conducted using P92 base metal and P91 weld metal (in as-welded and heat-treated condition) with different thicknesses. The diffusion coefficients are calculated by two methods (time-lag and inflection point method) were performed. The results show that, despite of microstructural effects, the sample thickness must be considered as it influences the calculated diffusion coefficients. Finally, the comparison of calculated and measured hydrogen concentrations (determined by carrier gas hot extraction) enables the identification of realistic diffusion coefficients.