9.2 Versuchsanlagen und Prüftechnik
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The development of multi‐principal‐element alloys (MPEAs) with unique characteristics such as high work hardening capacity similar to well‐known alloy systems like Hadfield steel X120Mn12 (ASTM A128) is a promising approach. Hence, by exploiting the core effects of MPEAs, the application range of conventional alloy systems can be extended. In the present study, work‐hardening MPEAs based on the equimolar composition CoFeNi are developed. Mn and C are alloyed in the same ratio as for X120Mn12. The production route consists of cast manufacturing by an electric arc furnace and surface functionalization via mechanical finishing using ultrasonic‐assisted milling (USAM) to initiate work hardening. The microstructure evolution, the hardness as well as the resulting oscillating wear resistance are detected. A pronounced lattice strain and grain refinement due to the plastic deformation during the USAM is recorded for the MPEA CoFeNi‐Mn12C1.2. Consequently, hardness increases by ≈380 HV0.025 in combination with a higher oscillating wear resistance compared to the X120Mn12. This shows the promising approach for developing work‐hardening alloys based on novel alloy concepts such as MPEAs.
In the area of plant engineering, steel components are provided with a wear protection coating for efficient use to protect them against corrosive, tribological, thermal and mechanical stresses. The use of innovative ultrasound-assisted milling processes and plasma-welded nickel- and cobalt-based wear protection coatings are being investigated to determine how more favourable machinability can be achieved while retaining the same wear protection potential. The focus is on the NiCrSiFeB alloy, which is intended to replace CoCr alloys in the area of screw machines. The utilization of ultrasonic-assisted milling for the machining of coating materials is a novel approach. The modification of hard facing layers in terms of microstructure and precipitation morphology as well as suitability for machining is investigated and compared with the CoCr alloy. The alloy modifications are generated by a PTA process by systematically adjusting the preheating and interpass temperatures, a crack-free wear-resistant layer can be generated, which is subsequently machined by a milling process. In addition to the crack-free properties, the microstructure, the bonding as well as the mixing between the NiCrSiFeB alloy and a 1.8550 as well as between the CoCr alloy and a 1.4828 are analysed and compared in the joining areas. In addition, heating and cooling rates are determined and a chemical analysis of the weld metals is performed. Furthermore, it was found that the build-up layers of NiCrSiFeB alloy are more difficult to machine using the milling process than the CoCr alloy, as higher milling forces are required.
Die Beschaffung und Verarbeitung von Werkstoffen für hochbelastete Komponenten sind meist kostenintensiv. Bestrebungen zur Kosten- und Ressourceneffizienz führen zu komplexeren Strukturen bzw. Konturen, sodass additive Fertigungsschritte zur Bauteilreparatur und -fertigung deutliche ökonomische Vorteile bieten. Hierfür sind additive und abtragende Fertigungsschritte komplementär und gezielt aufeinander abzustimmen, um beanspruchungsgerechte Funktionsflächen herzustellen. Hinsichtlich Inhomogenität und Anisotropie der Gefüge und Eigenschaften sowie fertigungsbedingter Beanspruchungen sind für den wirtschaftlichen Einsatz bei KMU, gerade für drahtbasierte Fertigungsverfahren und Wechselwirkungen nachfolgender Zerspanung dieser schwer spanbaren Werkstoffe noch viele Kenntnisse notwendig. Deshalb sind Untersuchungen zu diesen Einflüssen und Wechselwirkungen unter Nutzung innovativer Ansätze durchgeführt worden. Mit typischen kostenintensiven Ni- und Co-Cr-Legierungen wurden additive Bauteile, Auftrag- und Reparaturschweißungen hergestellt und Schweißzusätze für das PTA-Verfahren modifiziert, um die Erstarrungsmorphologie und das Eigenschaftsprofil zu optimieren. Die Übertragung auf MSG-Verfahren sicherte einen breiten industriellen Einsatz für hohe Auftragraten ab. Dies geschah mithilfe von modifizierten Fülldrähten sowie beschichteten Massivdrähten. Die wirtschaftliche spanende Bearbeitbarkeit wurde mit Zerspanbarkeitsanalysen für Schlichtfräsen und vergleichend für ultraschallunterstütze Fräsprozesse sichergestellt. Instrumentierte Experimente und Werkstoffanalytik hinsichtlich der Einflüsse auf Schmelzbad, Gefüge und Ausscheidungen sowie auf Randzoneneigenschaften und Eigenspannungen ermöglichten umfassende Erkenntnisse zur kombinierten additiven und abtragenden Fertigung. Dabei hat sich herausgestellt, dass eine Modifikation der Schweißzusatzwerkstoffe eine Homogenisierung der Mikrostruktur bedingt, welche wiederum den Zerspanprozess stabilisiert und letztendlich zu reduzierten Zerspankräften führt. Ferner wurde festgestellt, dass der ultraschallunterstützte Fräsprozess im Vergleich zum konventionellen Fräsprozess eine signifikante Reduzierung der Zerspankraft sowie eine höhere Oberflächenintegrität bedingt. Insbesondere die Induzierung oberflächennaher Druckeigenspannungen ist dabei hervorzuheben. Durch Bauteilversuche und -prüfungen, erfolgreiche Übertragbarkeitsstudien weiterer innovativer Werkstoffe verbunden mit Handlungsempfehlungen und der Zusammenarbeit mit den jeweiligen Normungsgremien, profitieren KMU von einer hochwirtschaftlichen Herstellung und Reparatur kostenintensiver Komponenten.
Die additive Fertigung mittels Schweißverfahren bietet große ökonomische Vorteile für eine ressourceneffiziente Bauteilherstellung. Offene Fragen bezüglich Homogenität, Anisotropie der Schweißgefüge und den damit verbundenen Bauteileigenschaften stehen einer wirtschaftlichen Verarbeitung oftmals im Wege. Finale Bauteilgeometrie und Oberflächengüte erfordern meist komplementäre subtraktive Fertigungsschritte. Werkstoffe für hochbelastbare Komponenten sind oftmals schwer spanbar. In einem Vorhaben der BAM und des ISAF wurde untersucht, wie die Modifikation der AM-Schweißzusätze und das ultraschallunterstützte Fräsen (US) die Zerspanungssituation verbessern. Der vorliegende Artikel stellt wesentliche Zusammenhänge zwischen Legierung, Gefüge und Zerspanung zweier schwer spanbarer Hochleistungslegierungen (FeNi und CoCr) dar. Großes Potenzial zeigte neben dem US die Modifikation mit Zr und Hf bei Zulegierung in das Schweißgut mittels Beschichtung von Massivdrähten bzw. Herstellung von Fülldrähten.
Residual stress formation during repeated gouging and repair welding cycles of high-strength steels
(2024)
The construction of foundation and erection structures for wind power plants requires the use of modern, sustainable and resource-efficient high-strength fine-grained structural steels. Weld defects due to the welding process are unacceptable. To overcome this issue, local thermal gouging followed by re-welding is a common and cost-effective method. The high shrinkage restraint of the gouge by the surrounding structure can cause crack initiation when design and re-weld induced residual stresses are superimposed. This risk is intensified by the progressive degradation of the microstructure and mechanical properties of high-strength steels during the weld repair process.
This investigation focuses on high-strength steels S500MLO for offshore applications and S960QL for mobile crane applications. The reduction and development of residual stresses caused by local thermal gouging and re-welding was investigated. Digital Image Correlated (DIC) stress-strain analysis was performed during preheating, welding and cooling. The results of the global DIC analysis and local longitudinal and transverse residual stresses of the weld determined by X-ray diffraction were found to be in good agreement. Furthermore, different stress levels were identified during gouging and welding. Repeated repair cycles led to an increase of longitudinal and transverse residual stresses in the weld metal as well as a hardness increase in the heat affected zone.
Der Bau von Gründungs- und Turmstrukturen für Windkraftanlagen erfordert den Einsatz moderner, nachhaltiger und ressourcenschonender hochfester Feinkornbaustähle. Durch den Schweißprozess verursachte Schweißnahtfehler sind nicht akzeptabel. Um diese zu beheben, ist das lokale thermische Fugenhobeln mit anschließendem Reparaturschweißen ein gängiges und wirtschaftliches Verfahren. Die hohe Schrumpfbehinderung um die ausgefugte Nut durch das umgebende Gefüge kann zu Rissbildung führen, wenn sich konstruktiv bedingte Spannungen und Eigenspannungen aus der Reparaturschweißung überlagern. Diese Gefahr wird durch die Verschlechterung der Mikrostruktur und der mechanischen Eigenschaften hochfester Stähle während des Schweißreparaturprozesses noch verstärkt.
Stresses in repair welding of high-strength steels—part 2: heat control and stress optimization
(2024)
In welding of high-strength steels, e.g. for foundations and erection structures of wind energy plants, unacceptable defects can occasionally be found in the weld area, which should be removed by thermal gouging and subsequent re-welding. High shrinkage restraint of repair welds may lead to crack formation and component failure, predominantly in interaction with degraded microstructures and mechanical properties due to repair cycles. This study aims for elaboration of recommendations for repair concepts appropriate to the stresses and materials involved to avoid cold cracking, damage and expensive reworking. In part 1 [1] of this study, systematic investigations of influences of shrinkage restraint on residual stresses and cold cracking risk during repair welding of two high-strength steels S500MLO for offshore application and S960QL for mobile crane structures were focussed. In this part 2, the microstructure, particularly hardness, and residual stresses due to gouging and influences of heat control parameters in repair welding are analysed. A clear reduction in residual stress after gouging can be observed, especially for the specimens with restrained transverse shrinkage. Gouging to a depth of approx. 2/3 of the seam height does not lead to a complete relaxation of the observed reaction forces. Particularly for the higher strength steel S960QL, there are pronounced areas influenced by the gouging process in which a degradation of the microstructure and properties should be assumed. Overall, the repair welds show a significant increase in the width of the weld and HAZ compared to the original weld, especially in the case of S960QL/G89. The repair welds show higher welding-induced stresses than the original welds, especially in the areas of the HAZ and the base metal close to the weld seam. This behaviour can be attributed overall to increased restraint conditions due to the remaining root weld or shorter gouge grooves. In good agreement with earlier investigations, the residual stresses transverse to the weld can be significantly reduced by upwardly limited working or interpass temperatures, and the reaction stresses resulting from high restraint conditions can be effectively counteracted. The influence of the heat input on the stress formation is low compared to the interpass temperature for both test materials.
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.
Die additive Fertigung mittels Schweißverfahren bietet große ökonomische Vorteile für eine ressourceneffiziente Bauteilherstellung. Offene Fragen bezüglich Homogenität, Anisotropie der Schweißgefüge und den damit verbundenen Bauteileigenschaften stehen einer wirtschaftlichen Verarbeitung oftmals im Wege. Finale Bauteilgeometrie und Oberflächengüte erfordern meist komplementäre subtraktive Fertigungsschritte. Werkstoffe für hochbelastbare Komponenten sind oftmals schwer spanbar. In einem Vorhaben der BAM und des ISAF wurde untersucht, wie die Modifikation der AM-Schweißzusätze und das ultraschallunterstützte Fräsen (US) die Zerspanungssituation verbessern. Der vorliegende Artikel stellt wesentliche Zusammenhänge zwischen Legierung, Gefüge und Zerspanung zweier schwer spanbarer Hochleistungslegierungen (FeNi und CoCr) dar. Großes Potenzial zeigte neben dem US die Modifikation mit Zr und Hf bei Zulegierung in das Schweißgut mittels Beschichtung von Massivdrähten bzw. Herstellung von Fülldrähten.
Diese Studie konzentriert sich auf den Einfluss der Bearbeitung auf die Eigenspannungen und den Verzug von WAAM-Proben. Definierte Proben wurden vollautomatisch mit einem speziellen WAAM-Massivdraht (Streckgrenze >820 MPa) mit unterschiedlichen geometrischen Designs geschweißt. Der Eigenspannungszustand vor und nach dem Abtrennen der AM-Struktur von der Substratplatte wurde mittels Röntgenbeugung an der Probenoberfläche analysiert und durch 3D-Verformungsanalysen mittels Photogrammetrie ergänzt. Die Ergebnisse zeigen einen signifikanten Einfluss der Geometrie auf die Relaxation und Umverteilung der Eigenspannungen.
Influence of machining on residual stresses in additive manufactured high-strength steel components
(2024)
This study focuses on the effect of machining on the residual stresses and distortion of WAAM specimens. Defined specimens were welded fully automatically with a special WAAM solid wire (yield strength >820 MPa) with different geometric designs. The residual stresses state before and after cutting of the AM structure from the substrate plate were analyzed by means of X-ray diffraction on the specimen surface and complementary by 3d deformation analyses using photogrammetry. The results reveal significant influences of the geometry on the relaxation and redistribution of residual stresses.
Multiple principal element alloys encompass the well-known high entropy alloys (HEA). The alloy system represents a new class of materials consisting of at least three alloying elements, each containing 5 to 35 at.%. Thus, this alloying concept differs fundamentally from conventional materials such as steel or nickel alloys. For this purpose, the alloying elements are specifically selected, 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. However, in the last 20 years, the focus has been on material synthesis. With the increase in available material quantities, the focus is now on processing issues such as joining and welding processes. The weldability of HEAs has received very little attention so far. The experience with dissimilar metal welds is completely lacking but is essential for the application of these materials in combination with conventional materials. The present study presents comprehensive experimental results on the weldability of an equimolar CoCrFeMnNi-HEA in cold-rolled and heat-treated condition, which was joined by tungsten inert gas welding to an austenitic steel AISI 304. The mechanical properties of the dissimilar metal welds were characterized by cross-weld tensile samples, whereas the local deformation in the weld of the different welding zones was measured by digital image correlation. In accordance with the respective initial HEA condition (cold-rolled vs. heat-treated), the local strain behavior was divergent and influenced the global mechanical properties of both DMW types. Nonetheless, the experiments provided proof in principle of the weldability for dissimilar joints of the CoCrFeMnNi-HEA welded to conventional materials like austenitic stainless steels ensuring a corresponding capability for mechanical loading. This allows further considerations on the application of these innovative materials.
AbstractThe sustainable and resource-efficient production of wind energy plants requires the use of modern high-strength fine-grain structural steels. This applies to both foundation and erection structures, like mobile or ship cranes. During the assembly of steel structures, unacceptable defects can occasionally be found in the weld area. In most cases, the economical solution would be local thermal gouging of the affected areas and re-welding. Due to the high shrinkage restraint of the joint groove in the overall structure, the superposition of global and local welding-induced stresses may lead to crack formation and component failure, particularly in interaction with the degradation of the microstructure and mechanical properties of high-strength steels during the repair process. However, manufacturers hardly have any information about these issues and there is a lack of recommendations and guidelines to take these safety-relevant aspects into account in adequate repair concepts. The aim of this research is to derive recommendations for repair concepts appropriate to the stresses and materials involved providing a basis for standards and guidelines to avoid cold cracking, damage and expensive reworking especially for high-strength steels. Part 1 of this study involves systematic investigations of influences of shrinkage restraint during repair welding of two high-strength steels S500MLO for offshore application and S960QL for mobile crane structures. The quantification of the shrinkage restraint of repair weld joints was achieved by means of experimental and numerical restraint intensity analysis. In welding experiments with self-restrained slot specimens, restraint intensity and introduction of hydrogen via the welding arc using anti spatter spray were varied systematically to analyse the effect on welding result, residual stresses and cold cracking. It could be shown that increasing restraint intensities result in significantly higher transverse residual stress levels. In the case of hydrogen introduction S500MLO showed no cold cracking independent of the restraint conditions. However, S960QL was found to be considerably cold cracking sensitive if hydrogen is introduced. With increasing restraint intensity length and number of cold cracks increases significantly. Part 2 [1] of this study is focussed on microstructure and residual stresses due to gouging and stress optimization via adequate heat control parameters in repair welding.
Die additive Fertigung mittels Schweißverfahren bietet große ökonomische Vorteile für eine ressourceneffiziente Bauteilherstellung. Offene Fragen bezüglich Homogenität, Anisotropie der Schweißgefüge und den damit verbundenen Bauteileigenschaften stehen einer wirtschaftlichen Verarbeitung oftmals im Wege. Finale Bauteilgeometrie und Oberflächengüte erfordern meist komplementäre subtraktive Fertigungsschritte. Werkstoffe für hochbelastbare Komponenten sind oftmals schwer spanbar. In einem Vorhaben der BAM und des ISAF wurde untersucht, wie die Modifikation der AM-Schweißzusätze und das ultraschallunterstützte Fräsen (US) die Zerspanungssituation verbessern. Der vorliegende Artikel stellt wesentliche Zusammenhänge zwischen Legierung, Gefüge und Zerspanung zweier schwer spanbarer Hochleistungslegierungen (FeNi und CoCr) dar. Großes Potenzial zeigte neben dem US die Modifikation mit Zr und Hf bei Zulegierung in das Schweißgut mittels Beschichtung von Massivdrähten bzw. Herstellung von Fülldrähten.
Einfluss trennender Fertigungsschritte auf die Eigenspannungen in Bauteilen aus hochfestem Stahl
(2024)
Der Vortrag gibt einen Überblick über den Einfluss
Trennender Fertigungsschritte auf die Eigenspannungen in einer Schweißverbindung und an additiv gefertigten Bauteilen aus hochfestem Stahl. Es wird dargestellt, wie die Spanende Bearbeitung in Wechselwirkung mit der lokalen Mikrostruktur die Eigenspannungen beeinflusst.
In der Abschlusspräsentation des ZIM-Kooperationsvorhabens "TeWuFeAl" werden die wichtigsten Ergebnisse zusammengefasst dargestellt. Ziel des Projektes war die Entwicklung einer Prozess- und Werkzeugtechnologie für das ultraschallunterstützte Fräsen von im Kokillenguss hergestellter Eisen- und Titan-Aluminid-Bauteilen. Auf Basis einer eigens entwickelten Werkzeugtechnologie und Prozessführung konnten die Belastungen auf das Werkzeug und die Oberfläche von Bauteilen aus dem schwer zerspanbaren Eisenaluminid bei der frästechnischen Bearbeitung signifikant verringert werden. Die Messung der Prozesskräfte und der thermischen Belastung der Werkzeugschneide ermöglicht die Ermittlung geeigneter Zerspanungsparameter für eine maximale Werkzeuglebensdauer. Die Anwendung des ultraschallunterstützten Fräsens (USAM) wirkt sich vorteilhaft auf den Zerspanprozess aus. Neben einer deutlichen verlängerung der Werkzeuglebensdauer, zeigen sich Vorteile in Bezug auf die topographischen, metallurgischen sowie mechanischen Eigenschaften der erzeugten Oberflächenintegrität. Die durch USAM erzeugte homogene Bauteiloberfläche weist eine reduzierte Defektdichte und verringerte Rauheitskennwerte auf. Besonders vielversprechend sind die Ergebnisse der Messungen der Eigenspannungen im Tiefenprofil der Oberfläche. Die Werkzeugoszillation bewirkt eine, vergleichbar zum Strahlprozess, Verdichtung der Oberfläche was in Druckeigenspannungen resultiert. Diese potenziell vorteilhaften Druckeigenspannungen können maßgeblich zur Risssicherheit hochbelasteter Komponenten und somit zum Leichtbau und Ressourceneffizienz beitragen.
Ultraschallunterstützte Zerspanung mit geometrisch bestimmter Schneide schwer spanbarer Werkstoffe
(2023)
Das hybride Fertigungsverfahren der ultraschallunterstützen Zerspanung wird mit geometrisch unbestimmter Schneide wie bspw. dem Schleifen bereits erfolgreich in der Industrie eingesetzt und verspricht auch unter Verwendung von Werkzeugen mit geometrisch bestimmter Schneide vielversprechende Vorteile gegenüber den konventionellen spanenden Fertigungsverfahren. In den letzten Jahren wurden an der BAM positive Ergebnisse beim ultraschallunterstützten Fräsen (USAM) von schwer spanbaren Werkstoffen wie z.B. Ni-/Co-Legierungen oder Eisenaluminid für den Leichtbau erzielt aber auch die Finishbearbeitung von schweißtechnisch generierten Bauteilen (AM) bspw. aus FeNi36 konnte hinsichtlich erreichbarer Werkzeuglebensdauer sowie Oberflächenintegrität zur Verbesserung der Komponentensicherheit beitragen. Die mittels USAM erzeugten Oberflächen erscheinen homogener und weisen weniger Defekte infolge des Materialabtrags auf, was sich ebenfalls in verringerten Rauheitskennwerten abbildet. Durch die geringere thermo-mechanische Belastung der Bauteiloberfläche sind Eigenschaftsdegradationen zusätzlich reduziert. Besonders großes Zukunftspotenzial besitzt das ultraschallunterstütze Fräsen durch die Erzeugung von erwünschten Druckeigenspannungen bis unter die Bauteiloberfläche, was auf die oszillierende Wirkung der Werkzeugschneide - vergleichbar mit einem Strahlprozess - zurückzuführen ist. Druckeigenspannungen tragen maßgeblich zur Risssicherheit hochbelasteter Komponenten bei wie sie bspw. in Turbinen vorzufinden sind und können somit zum Leichtbau und zur Ressourceneffizienz beitragen.
High-strength steels offer potential for weight optimization due to reduced wall thicknesses in modern constructions. Additive manufacturing processes such as Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) enable the resource-efficient production of structures. In the case of defects occurring in weld seams orWAAM components due to unstable process conditions, the economical solution is local gouging or machining and repair welding. It is important to understand the effects of machining steps on the multiaxial stress state in conjunction with the design-related shrinkage restraints. Research into how welding and slot milling of welds andWAAM structures affects residual stresses is still lacking. For this reason, component-related investigations with high-strength steels with yield strengths ≥790 MPa are carried out in our research. In-situ digital image correlation (DIC) and ex-situ X-ray diffraction (XRD) were used to analyze the stresses and strains induced on specimens during and after milling. The systematic analyses revealed a significant interaction of the stiffness and microstructure of the specimens with the initial residual stresses induced by welding. Subsequent repair welds can result in significantly higher residual stresses.
Additive manufacturing (AM) processes enable the efficient production of advanced constructions. New developments in topology optimization are leading to weight-optimized designs of increasing complexity. Direct energy deposition processes (DED) such as wire and arc-based additive manufacturing are an important method of additive manufacturing. The wire filler metals enable a wide range of materials, while the arc process provides a high deposition rate compared to laser and powder-based processes. Combined with the use of high-strength steels, the thickness of walls or components can be significantly reduced in the context of lightweight construction, which results in significant savings in energy, costs, time and resources. Suitable high-strength steel filler metals are commercially available for DED-arc AM processes. However, guidelines and quantitative knowledge about welding stresses and cold cracking issues during component production and service are lacking. This limits the industrial application considerably. In a joint project of BAM and Chemnitz University of Technology, the main influences and complex interactions of material, production process, design and processing steps on the residual stress level are investigated. The aim is to develop processing recommendations and a cold cracking test for economical processing and stress-related design of high-strength steels with DED-arc. This study focuses on residual stress analysis by neutron diffraction (ND) and X-ray diffraction (XRD) on defined test specimens. The ND analysis were performed at the Paul Scherrer Institute- Villigen, Switzerland (PSI) and the XRD analysis at BAM. The study shows a quantitative and qualitative comparison of the residual stress magnitudes and distribution between the component bulk (ND) and surface (XRD) analyses. The ND analysis reveals that in DED-arc AM walls the residual stresses dominate in the direction of welding and are negligibly small in each case transverse to the direction of welding. The topology of the analyzed residual stresses shows almost identical residual stress maps compared to XRD. In addition, the residual stresses are significantly influenced by the solid phase transformation of the material due to low cooling times and less post heat treatment cycles of following AM layers in the area of the top layer.
Additive manufacturing (AM) processes enable the efficient production of advanced constructions. New developments in topology optimization are leading to weight-optimized designs of increasing complexity. Direct energy deposition processes (DED) such as wire and arc-based additive manufacturing are an important method of additive manufacturing. The wire filler metals enable a wide range of materials, while the arc process provides a high deposition rate compared to laser and powder-based processes. Combined with the use of high-strength steels, the thickness of walls or components can be significantly reduced in the context of lightweight construction, which results in significant savings in energy, costs, time and resources. Suitable high-strength steel filler metals are commercially available for DED-arc AM processes. However, guidelines and quantitative knowledge about welding stresses and cold cracking issues during component production and service are lacking. This limits the industrial application considerably. In a joint project of BAM and Chemnitz University of Technology, the main influences and complex interactions of material, production process, design and processing steps on the residual stress level are investigated. The aim is to develop processing recommendations and a cold cracking test for economical processing and stress-related design of high-strength steels with DED-arc. This study focuses on residual stress analysis by neutron diffraction (ND) and X-ray diffraction (XRD) on defined test specimens. The ND analysis were performed at the Paul Scherrer Institute- Villigen, Switzerland (PSI) and the XRD analysis at BAM. The study shows a quantitative and qualitative comparison of the residual stress magnitudes and distribution between the component bulk (ND) and surface (XRD) analyses. The ND analysis reveals that in DED-arc AM walls the residual stresses dominate in the direction of welding and are negligibly small in each case transverse to the direction of welding. The topology of the analyzed residual stresses shows almost identical residual stress maps compared to XRD. In addition, the residual stresses are significantly influenced by the solid phase transformation of the material due to low cooling times and less post heat treatment cycles of following AM layers in the area of the top layer.
Bei der Montage von Stahlkonstruktionen kommt es trotz anforderungsgerechter schweißtechnischer Fertigung vereinzelt zur Detektion von unzulässigen Unregelmäßigkeiten im Schweißbereich. Die Verarbeitungsregelwerke empfehlen das lokale thermische Ausfugen betroffener Bereiche und erneutes Schweißen, geben aber aufgrund fehlender wissenschaftlich fundierter Untersuchungen kaum Informationen zu adäquaten Reparaturkonzepten. Dies betrifft insbesondere die Berücksichtigung und Optimierung resultierender schweißbedingter Beanspruchungen durch hohe Schrumpfbehinderungen der Ausfugenuten sowie der Gefügedegradation angrenzender Bereiche durch das Ausfugen und erneute Schweißen. Gerade bei hochfesten Stahlgüten ergeben sich dadurch häufig reduzierte mechanische Eigenschaften und zusätzliche schweißbedingte Beanspruchungen sowie erneut auftretende Nahtdefekte.
Deshalb wurden für das Forschungsvorhaben systematische bauteilrelevante Untersuchungen der schweißbedingten Beanspruchungen und Gefügeveränderungen reparierter Schweißnähte in Abhängigkeit von der Schrumpfbehinderung und Wärmeführung beim Schweißen und Ausfugen sowie von der Reparaturzyklenanzahl durchgeführt. Die Untersuchungsergebnisse zeigen auf, welche Faktoren sich für eine Beanspruchungsreduzierung auch bei hohen Einspannbedingungen eignen und wie eine Degradation des Gefüges und der Eigenschaften der Schweißnaht sowie wiederholte Schweißnahtdefekte in der Reparaturnaht vermieden werden können. Insbesondere können mittels adaptiver Wärmeführung geringere schweißbedingte Beanspruchungen in den Reparaturschweißnähten bewirkt werden. Bauteilversuche sichern zudem die Übertragbarkeit der Schweißexperimente in die Praxis ab.
Aufgrund der Erkenntnisse konnten Empfehlungen für beanspruchungs- und werkstoffgerechte Reparaturkonzepte abgeleitet und ausgesprochen werden. Die Analysen wurden an den hochfesten Stahlgüten S500MLO für den Offshore-Bereich und S960QL für den Mobilkranbau realisiert. Damit wird insbesondere der wirtschaftlichen Fertigung hocheffizienter Konstruktionen für Windenergieanlagen und hochfester Strukturen, die für deren Errichtung notwendig sind, Rechnung getragen.
So bieten die Forschungsergebnisse eine wesentliche Grundlage für die Weiterentwicklung entsprechender Normen und Regelwerke. Damit können letztlich Schäden und zumeist teure Nacharbeiten verhindert und eine verbesserte Ausnutzung des hohen Festigkeitspotentials hochfester Stähle erreicht werden. Gerade auch KMU können mit Blick auf die Kosten für Fertigung, Schweißarbeit und Material von den Erkenntnissen beim Einsatz hochfester Stähle, die für eine effiziente Realisierung der Energiewende in Deutschland notwendig sind, profitieren.
Additive manufacturing (AM) processes enable the efficient production of advanced constructions. New developments in topology optimization are leading to weight-optimized designs of increasing complexity. Direct energy deposition processes (DED) such as wire and arc-based additive manufacturing are an important method of additive manufacturing. The wire filler metals enable a wide range of materials, while the arc process provides a high deposition rate compared to laser and powder-based processes. Combined with the use of high-strength steels, the thickness of walls or components can be significantly reduced in the context of lightweight construction, which results in significant savings in energy, costs, time and resources. Suitable high-strength steel filler metals are commercially available for DED-arc AM processes. However, guidelines and quantitative knowledge about welding stresses and cold cracking issues during component production and service are lacking. This limits the industrial application considerably. In a joint project of BAM and Chemnitz University of Technology, the main influences and complex interactions of material, production process, design and processing steps on the residual stress level are investigated. The aim is to develop processing recommendations and a cold cracking test for economical processing and stress-related design of high-strength steels with DED-arc. This study focuses on residual stress analysis by neutron diffraction (ND) and X-ray diffraction (XRD) on defined test specimens. The ND analysis were performed at the Paul Scherrer Institute- Villigen, Switzerland (PSI) and the XRD analysis at BAM. The study shows a quantitative and qualitative comparison of the residual stress magnitudes and distribution between the component bulk (ND) and surface (XRD) analyses. The ND analysis reveals that in DED-arc AM walls the residual stresses dominate in the direction of welding and are negligibly small in each case transverse to the direction of welding. The topology of the analyzed residual stresses shows almost identical residual stress maps compared to XRD. In addition, the residual stresses are significantly influenced by the solid phase transformation of the material due to low cooling times and less post heat treatment cycles of following AM layers in the area of the top layer.
Wear behavior of innovative niobium carbide cutting tools in ultrasonic-assisted finishing milling
(2023)
The resources of niobium exceed the ones of tungsten by an order of magnitude. With 92%, Brazil is today the main global producer of niobium. Hence, niobium carbides (NbC) are a sustainable and economic alternative to conventionally used cutting materials, especially tungsten carbides (WC). Moreover, NbC can be used in Ni alloy matrix and thus offer significant advantages by substituting WC in Co matrix as cutting materials in terms of health risks and raw material price and supply risk. Based on recent studies which found an increased performance of NbC compared to WC cutting tools in machining higher strength steels, the composition NbC12Ni4Mo4VC was chosen for finish machining of a high-strength steel S960QL in this study. The experiments were carried out on an ultrasonic-assisted 5-axis milling machine using NbC tools specially made to benchmark them with commercially available coated WC cutting inserts. In addition, the influence of a coating system for the NbC inserts is tested and evaluated for its performance in the cutting process. Tool wear and cutting force analyses are implied to identify optimal parameter combinations as well as tool properties for the novel NbC tool. Together with the oscillation of ultrasonic-assisted milling, the loads on the component surface and the tool can be reduced and the wear behavior of the novel NbC tool can be refined. These milling tests are accompanied by standardized wear tests, i.e., pin-on-disc, between the aforementioned material combinations, and the results are correlated with each other. Finally, the behavior when using hard-to-cut materials such as Ni alloys, or innovative materials such as iron aluminide is also being tested, as these are constantly in the focus of machining optimization. With this strategy, comprehensive knowledge is achievable for future efficient application of NbC for milling tools, which have already been researched for decades using WC.
The new multi-element alloying concept of systems with defined entropy (HEA — high-entropy alloy or MEA — medium-entropy alloy) is increasing in material 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.
Stresses in repair welding of high-strength steels Part 2: Heat Control and Stress Optimization
(2023)
In welding of high-strength steels, e.g., for foundations and erection structures of wind energy plants, unacceptable defects can occasionally be found in the weld area, which should be removed by thermal gouging and subsequent re-welding. High shrinkage restraint of repair welds may lead to crack formation and component failure, particularly in interaction with degraded microstructures and mechanical properties due to repair cycles. This study aims for elaboration of recommendations for repair concepts appropriate to the stresses and materials involved to avoid cold cracking, damage and expensive reworking. In part 1 [1] of this study systematic investigations of influences of shrinkage restraint on residual stresses and cold cracking risk during repair welding of two high-strength steels S500MLO for offshore application and S960QL for mobile crane structures were focussed. In this part 2, the microstructure and residual stresses due to gouging and influences of heat control parameters in repair welding are analysed. A clear reduction in residual stress after gouging can be observed, especially for the specimens with restrained transverse shrinkage. Gouging to a depth of approx. 2/3 of the seam height does not lead to a complete relaxation of the observed reaction forces. Particularly for the higher strength steel S960QL, there are pronounced areas influenced by the gouging process in which a degradation of the microstructure and properties should be assumed. Overall, the repair welds show a significant increase in the width of the weld and HAZ compared to the original weld, especially in the case of S960QL/G89. The repair welds show higher welding-induced stresses than the original welds, especially in the areas of the HAZ and the base metal close to the weld seam. This behaviour can be attributed overall to increased restraint conditions due to the remaining root weld or shorter gouge grooves. In good agreement with earlier investigations, the residual stresses transverse to the weld can be significantly reduced by upwardly limited working or interpass temperatures and the reaction stresses resulting from high restraint conditions can be effectively counteracted. The influence of the heat input on the stress formation is low compared to the interpass temperature for both test materials.
The sustainable and resource-efficient production of wind energy plants requires the use of modern high-strength fine-grain structural steels. This applies to both foundation and erection structures, like mobile or ship cranes. During the assembly of steel structures, unacceptable defects can occasionally be found in the weld area. In most cases, the economical solution would be local thermal gouging of the affected areas and re-welding. Due to the high shrinkage restraint of the joint groove in the overall structure, the superposition of global and local welding-induced stresses may lead to crack formation and component failure, particularly in interaction with the degradation of the microstructure and mechanical properties of high-strength steels during the repair process. However, manufacturers hardly have any information about these issues and there is a lack of recommendations and guidelines to take these safety-relevant aspects into account in adequate repair concepts. The aim of this research is to derive recommendations for repair concepts appropriate to the stresses and materials involved providing a basis for standards and guidelines to avoid cold cracking, damage and expensive reworking especially for high-strength steels. Part 1 of this study involves systematic investigations of influences of shrinkage restraint during repair welding of two high-strength steels S500MLO for offshore application and S960QL for mobile crane structures. The quantification of the shrinkage restraint of repair weld joints was achieved by means of experimental and numerical restraint intensity analysis. In welding experiments with self-restrained slot specimens, restraint intensity and introduction of hydrogen via the welding arc using anti spatter spray were varied systematically to analyse the effect on welding result, residual stresses, and cold cracking. It could be shown that increasing restraint intensities result in significantly higher transverse residual stress levels. In the case of hydrogen introduction S500MLO showed no cold cracking independent of the restraint conditions. However, S960QL was found to be considerably cold cracking sensitive if hydrogen is introduced. With increasing restraint intensity length and number of cold cracks increases significantly. Part 2 [1] of this study is focussed on microstructure and residual stresses due to gouging and stress optimization via adequate heat control parameters in repair welding.
Der Vortrag gibt einen Überblick über den Einfluss der Prozessparameter auf die Eigenspannungen sowie die Härte in additiv gefertigten Bauteilen aus hochfestem stahl. Des Weiteren wird dargestellt, wie sich das Bauteildesign und trennende Fertigungsschritte auf die Eigenspannungen der Bauteile auswirken.
Additive manufacturing (AM) processes enable the efficient production of advanced constructions. New developments in topology optimization are leading to weight-optimized designs of increasing complexity. Direct energy deposition processes (DED) such as wire and arc-based additive manufacturing are an important method of additive manufacturing. The wire filler metals enable a wide range of materials, while the arc process provides a high deposition rate compared to laser and powder-based processes. Combined with the use of high-strength steels, the thickness of walls or components can be significantly reduced in the context of lightweight construction, which results in significant savings in energy, costs, time and resources. Suitable high-strength steel filler metals are commercially available for DED-arc AM processes. However, guidelines and quantitative knowledge about welding stresses and cold cracking issues during component production and service are lacking. This limits the industrial application considerably. In a joint project of BAM and Chemnitz University of Technology, the main influences and complex interactions of material, production process, design and processing steps on the residual stress level are investigated. The aim is to develop processing recommendations and a cold cracking test for economical processing and stress-related design of high-strength steels with DED-arc. This study focuses on residual stress analysis by neutron diffraction (ND) and X-ray diffraction (XRD) on defined test specimens. The ND analysis were performed at the Paul Scherrer Institute- Villigen, Switzerland (PSI) and the XRD analysis at BAM. The study shows a quantitative and qualitative comparison of the residual stress magnitudes and distribution between the component bulk (ND) and surface (XRD) analyses. The ND analysis reveals that in DED-arc AM walls the residual stresses dominate in the direction of welding and are negligibly small in each case transverse to the direction of welding. The topology of the analyzed residual stresses shows almost identical residual stress maps compared to XRD. In addition, the residual stresses are significantly influenced by the solid phase transformation of the material due to low cooling times and less post heat treatment cycles of following AM layers in the area of the top layer.
Additive Fertigungsverfahren wie das Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) ermöglichen die effiziente Fertigung von gewichtsoptimierten endkonturnahen Strukturen in modernen Stahlkonstruktionen. Ihre Effizienz kann weiter durch die Verwendung von hochfesten Stählen gesteigert werden. Dies erlaubt eine signifikante Einsparung von Kosten, Zeit und Ressourcen. Entsprechende Schweißzusatzwerkstoffe für Lichtbogenschweißverfahren sind kommerziell verfügbar. Fehlende Richtlinien und fehlende quantitative Kenntnisse über die schweißtechnische Beanspruchung während der Fertigung und im Betrieb limitieren den industriellen Einsatz stark. Daher werden in einem aktuellen Vorhaben (IGF-Nr. 21162 BG) der BAM und TU Chemnitz die wesentlichen Einflüsse und komplexen Interaktionen durch Werkstoff, Fertigungsprozess, Konstruktion und trennende Fertigungsschritte auf den Beanspruchungszustand untersucht. Der vorliegende Beitrag fokussiert hierfür die Auswirkungen trennender Fertigungsschritte auf Verzug und Eigenspannungen definierter WAAM-Prüfkörper. Die Eigenspannungsanalyse erfolgt mittels Röntgenbeugung. Die große Anzahl an Ergebnissen von zuvor untersuchten Referenzproben, die mit einem speziellen WAAM-Massivdraht (Streckgrenze >820 MPa) bei unterschiedlicher Wärmeführung und Geometrie vollautomatisiert geschweißt wurden, lässt eine Korrelation der Messdaten zu. Hierzu erfolgt die Analyse des Ausgangszustandes und abschließend des Zustandes nach trennender Bearbeitung, welche begleitend mittels digitaler Bildkorrelation hinsichtlich des Verzuges untersucht wurden. So ist zu beobachten, dass die Geometrie deutlichen Einfluss auf Relaxation und Umlagerung der Eigenspannungen hat und damit die Risssicherheit positiv beeinflussen kann.
Auf der Grundlage einer speziell entwickelten Werkzeugtechnologie sowie Prozessführung können die Belastungen auf das Werkzeug und die Bauteiloberfläche bei der frästechnischen Bearbeitung von Bauteilen aus dem innovativen jedoch schwer zerspanbaren Eisenaluminid deutlich reduziert werden. Die Messung der Prozesskräfte sowie der thermischen Belastung der Werkzeugschneide ermöglicht die Identifikation geeigneter Zerspanungsparameter hinsichtlich einer maximalen Werkzeuglebensdauer. Die Verwendung des ultraschallunterstützten Fräsens (USAM) besitzt vorteilhafte Einflüsse auf den Zerspanprozess, insbesondere hinsichtlich einer homogenen Bauteiloberfläche. Im Rahmen von Standzeitversuchen erfolgt durch USAM ein gleichmäßiger und im Vergleich zum konventionellen Fräsen (CM) deutlich reduzierter Werkzeugverschleiß. Mit wachsendem Zerspanvolumen verstärkt sich der positive Effekt von USAM und äußert sich in einer deutlichen Reduzierung der Rauheit und Defektdichte auf der Bauteiloberfläche.
Intermetallische Werkstoffe werden für Hochtemperaturanwendungen immer wichtiger. Insbesondere Aluminide mit hohen spezifischen Festigkeiten haben ein großes Potenzial für Leichtbauanwendungen, z. B. werden Titanaluminide bereits in Flugzeugturbinen eingesetzt. Ökonomische und ökologische Aspekte sind die treibende Kraft zur Substitution konventioneller Legierungen, z. B. Nickelbasislegierungen, die eine wesentlich höhere Kostenintensität und ein höheres Gewichts-Festigkeits-Verhältnis aufweisen. Insbesondere Eisenaluminide (FeAl) sind aufgrund guter mechanischer Eigenschaften und der guten Verfügbarkeit der wichtigsten Hauptlegierungselemente attraktiv. Speziell entwickelte FeAl-Legierungskonzepte ermöglichen eine wirtschaftliche Produktion im Kokillenguss, bei der die Erstarrung der Schmelze spezielle komplexe Gefüge ermöglicht, um die hohen thermischen und mechanischen Eigenschaften durch eine hohe Anzahl von harten Ausscheidungen entlang der Korngrenzen zu erreichen. Zu diesen Eigenschaften gehört aber auch, dass notwendige Bearbeitungsschritte, wie das Schlichtfräsen, zur Erzielung komplexer Endkonturen, zu vorzeitigem Werkzeugverschleiß und geringen Oberflächengüten führen. Für das finale FeAl-Bauteil ist eine hohe Oberflächenintegrität insbesondere in sicherheitsrelevanten Anwendungen in der Luftfahrt oder im Energiebereich erforderlich. Aus diesem Grund konzentriert sich die vorliegende Untersuchung auf die Mechanismen und die Minimierung des Werkzeugverschleißes und die Auswirkungen auf die Oberfläche eines in Kokille vergossenen FeAl-Bauteils. Neben den Optimierungen des Fräsprozesses und der Werkzeugparameter (Geometrie, Material) wird ein modernes hybrides Bearbeitungsverfahren, das ultra-schallunterstützte Fräsen (USAM), eingesetzt, bei dem eine Überlagerung mit einer hochfrequenten Schwingung des rotierenden Werkzeugs erzeugt wird. Analysen der Kräfte und Temperaturen im Fräsprozess, der Verschleißerscheinungen am Werkzeug und der Oberflächenintegrität zeigen positive Auswirkungen durch USAM. Darüber hinaus wird eine valide Grundlage für die Optimierung des Werkzeugs und des Fräsprozesses geschaffen, um eine hohe Oberflächenintegrität (z. B. Verringerung von Zugeigenspannungen und Defekten) und eine längere Werkzeuglebensdauer zu gewährleisten, die zukünftig eine wirtschaftliche Herstellung von FeAl-Bauteilen ermöglicht.
Hochfeste Feinkornbaustähle verfügen über großes Potenzial für gewichtsoptimierte, effiziente Strukturen in vielen modernen Stahlkonstruktion. Weitere Effizienzsteigerungen können durch additives Fertigen sowie bionische Bauweisen erreicht werden. Hochfeste Zusatzwerkstoffe für formgebendes MSG-Schweißen (engl.: Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM) sind bereits von den Schweißzusatzherstellern lieferbar. Eine breite industrielle Anwendung insbesondere für KMU ist aufgrund fehlender quantitativer Erkenntnisse und Richtlinien bezüglich schweißbedingter Beanspruchungen und Bauteilsicherheit während der Herstellung und des Betriebs derzeit stark limitiert. In einem gemeinsamen Forschungsprojekt (FOSTA-P1380/IGF21162BG) der BAM und der TU Chemnitz werden daher die mit Eigenspannungsausbildung und der Gefahr einer Kaltrissbildung verbundenen prozess- und werkstoffbedingten sowie konstruktiven Einflüsse beim WAAM hochfester Stähle untersucht. Der vorliegende Beitrag fokussiert die Analyse der Auswirkungen von Schweißwärmeführung und Design der WAAM-Bauteile auf Nahtgeometrie, Materialausnutzung und Eigenspannungen. Hierfür werden geometrisch definierte Probenkörper (Hohlquader) vollautomatisiert mit einem speziellen, hochfesten WAAM-Massivdraht (Streckgrenze >790 MPa) geschweißt. Die Wärmeführung wird innerhalb eines statistischen Versuchsplans so variiert, dass die Dt8/5-Abkühlzeiten im empfohlenen Verarbeitungsbereich (ca. 5 s bis 20 s) liegen. Das WAAM-Schweißen komplexer Geometrien mit variierenden Schweißwärmeführungen und geometrischen Verhältnissen bzw. Wanddicken bedingt neben den Auswirkungen auf die Abkühlbedingungen, Abkühlzeiten und Gefüge deutliche Einflüsse auf die konstruktiven Steifigkeitsverhältnisse beim Schweißen. Es zeigen sich anhand der Schweißexperimente signifikante Auswirkungen durch Probenskalierung und Wärmeeinbringung auf die resultierenden lokalen Eigenspannungen. Die Folge können ungünstige Bauteileigenschaften und risskritische Zugeigenspannungen sein.
Die Bestrebungen zur Verringerung der CO2-Emissionen erfordern hochbelastbare und effiziente Komponenten aus Stahl in der Anlagen-, Verfahrens- und Kraftwerkstechnik. Hierfür sind in zunehmendem Maße auf den Anwendungsfall und Stahlwerkstoff abgestimmte Verschleißschutzschich-ten und definierte, zerspante Oberflächen notwendig. Die hohen Härten dieser Schichten und der Einsatz konventioneller Co-basierter Verschleißwerkstoffe führen oftmals zu unwirtschaftlichen Bauteilen, gerade aufgrund hohen Werkzeugverschleißes bei der Zerspanung mit geometrisch bestimmter Schneide. Er-kenntnisse über den Einsatz Ni-basierter Verschleißwerkstoffe und die Optimierung der Zerspanbarkeit mittels Legierungsmodifikationen und moderner hybrider Fräsprozesse ohne Verschlechterung der Ver-schleißschutzeigenschaften sind deshalb für die Anwender und Verarbeiter zur wirtschaftlichen Fertigung hochbelasteter Stahlbauteile wesentlich. Der vorliegende Beitrag stellt die Untersuchungsmethodik eines aktuell laufenden Vorhabens der TU Clausthal und BAM, Berlin, vor. Fokus liegt hierbei auf den hochin-strumentierten Fräsexperimenten, die eine reproduzierbare Analyse und Korrelation zwischen den mik-rostrukturellen Eigenschaften der auftraggeschweißten Legierungen, dem Zerspanprozess und der Zer-spanbarkeit, insbesondere der resultierenden Oberflächenintegrität, ermöglichen sollen.
Alloy Modification and ultrasonic assisted milling of wear resistant alloys with defined surfaces
(2023)
The targets for reducing CO2 emissions are closely linked to the development of highly efficient and economical steel components in plant, process and power plant technology, which require wear protection coatings tailored to the application and steel material for high combined corrosive, tribological, thermal and mechanical stresses. In addition to increasing demands to replace conventional cobalt alloys with nickel alloys as a result of price and supply risks, there is a growing demand in industry for defined functional surfaces of high quality for these coatings. Milling is a standard process for finish machining. The desired properties of wear resistant alloys imply significant challenges for the milling process due to high tool wear and surface defects. Besides the hardness of the coating materials, especially due to the precipitations, inhomogeneous, anisotropic weld structures of the claddings lead to further deteriorations of milling processes due to unstable milling conditions and process forces.
A joint project of BAM and ISAF of TU Clausthal (Fosta P1550/IGF 21959 N) investigates the optimization of these challenging machining conditions by means of alloy modifications of the welding powder for plasma transferred arc cladding, without reducing the wear protection potential and using ultrasonic assisted milling process.
In this paper, the influence of the microstructure and precipitation morphology adjusted by means of alloy modification on machining is investigated. The alloy used is a NiCrMoSiFeB alloy (trade name: Colmonoy 56 PTA). Through metallurgical investigations and in-situ measurement of cutting forces and temperatures at the cutting edge during the milling process as well as the subsequent investigation of tool wear and surface integrity, a detailed analysis and correlation between microstructural properties and machinability is feasible. The findings allow recommendations for standards and processing guidelines, enabling safe and economical production of highly stressed steel components with non-critical, cost-reduced materials.
Die Verringerung der CO2-Emissionen ist eng mit der Entwicklung hocheffizienter und wirtschaftlicher Komponenten aus Stahl in der Anlagen- und Verfahrenstechnik verknüpft. Um den hohen kombinier-ten korrosiven, tribologischen, thermischen und mechanischen Beanspruchungen stand zu halten, werden auf Anwendungsfall und Stahlwerkstoff abgestimmte Verschleißschutzschichten eingesetzt. Neben der zunehmenden Forderung konventionelle Kobalt- durch Nickellegierungen zu ersetzen, wächst auch der Bedarf nach definierten Ober- bzw. Funktionsflächen hoher Güte. Aufgrund hohen Werkzeugverschleißes ist die erforderliche Fräsbearbeitung zu Herstellung der komplexen Geomet-rien der Bauteile für KMU oftmals wirtschaftlich nicht möglich. Mittels Legierungsmodifikation der Schweißzusätze für nickelbasierte plasmaauftraggeschweißte Verschleißschutzschichten und durch den Einsatz innovativer ultraschallunterstützter Fräsprozesse soll eine günstigere Zerspanbarkeit er-reicht werden, ohne das Verschleißschutzpotential zu mindern. Im vorliegenden Beitrag wird der Ein-fluss der mittels Legierungsmodifikation eingestellten Gefüge- und Ausscheidungsmorphologie auf die Zerspanbarkeit untersucht. Dies erfolgt anhand einer typischerweise für Schneckenmaschinen einge-setzten Verschleißschutzlegierung NiCrMoSiFeB-Legierung („Colmonoy 56 PTA“), die konventionelle CoCr-Legierungen (Stellite) substituiert. Metallurgische Untersuchungen und In-situ-Messungen auf-tretender Prozesskräfte an der Werkzeugschneide beim Fräsen sowie anschließende Untersuchungen von Werkzeugverschleiß und Oberflächenintegrität ermöglichen eine detaillierte Analyse und Korrela-tion zwischen mikrostrukturellen Eigenschaften und Zerspanbarkeit.
Die Ziele zur Verringerung der CO2-Emissionen sind eng verknüpft mit der Entwicklung hocheffizienter und wirtschaftlicher Komponenten aus Stahl in der Anlagen-, Verfahrens- und Kraftwerktechnik, die für hohe kombinierte korrosive, tribologische, thermische und mechanische Beanspruchungen auf Anwendungsfall und Stahlwerkstoff abgestimmte Verschleißschutzschichten erfordern. Neben zunehmenden Forderungen infolge des Preis- und Lieferrisikos konventionelle Kobalt- durch Nickellegierungen zu ersetzen, wächst in der Industrie der Bedarf nach definierten Oberflächen hoher Güte bzw. Funktionsflächen für die Schutzschichten. Eine für Bauteile mit komplexer Geometrie erforderliche Fräsbearbeitung ist insbesondere für KMU aufgrund hohen Werkzeugverschleißes oftmals nicht wirtschaftlich realisierbar, jedoch für viele Einsatzfälle dringend notwendig.
In einem Gemeinschaftsvorhaben der BAM und des ISAF der TU Clausthal (Fosta P1550/IGF 21959 N) wird daher untersucht, wie mittels Legierungsmodifikationen der Schweißzusätze für nickelbasierte plasmaauftraggeschweißte Verschleißschutzschichten und durch Einsatz innovativer ultraschallunterstützter Fräsprozesse eine günstigere Zerspanbarkeit erreicht werden kann, ohne das Verschleißschutzpotential zu mindern.
Im vorliegenden Beitrag wird der Einfluss der mittels Legierungsmodifikation eingestellten Gefüge- und Ausscheidungsmorphologie auf die Zerspanung untersucht. Dies erfolgt anhand einer typischerweise für Schneckenmaschinen eingesetzte Verschließschutzlegierung zur Substitution entsprechender CoCr-Legierungen (Stellite), einer NiCrMoSiFeB-Legierung (Handelsname: Colmonoy 56 PTA). Durch metallurgische Untersuchungen und In-situ-Messung auftretender Prozesskräfte und Temperaturen an der Werkzeugschneide beim Fräsprozesses sowie der anschließenden Untersuchung von Werkzeugverschleiß und Oberflächenintegrität ist eine detaillierte Analyse und Korrelation zwischen den mikrostrukturellen Eigenschaften und der Zerspanbarkeit möglich. Die Vorgehensweise erlaubt einer Beurteilung des Einflusses der ultraschallunterstützten Fräsbearbeitung auf den Prozess sowie die resultierenden Oberflächenintegrität. Unter systematischer Anwendung dieser Methodik sowie der Berücksichtigung der Anbindung zum Stahlsubstratwerkstoff und der Wirksamkeit des Verschleißschutzes lässt sich letztlich eine gezielte Optimierung der Zerspanungssituation und des Verschleißschutzes erreichen. Die Erkenntnisse erlauben Handlungsanweisungen und Empfehlungen für Normen und Verarbeitungsrichtlinien, die besonders KMU eine sichere und wirtschaftliche Fertigung hochbelasteter Stahlkomponenten mit unkritischen, kostenreduzierten Werkstoffen ermöglichen sollen.
Reducing CO2 emissions to 62 percent up to 2030 and achieving greenhouse neutrality up to 2050 are the key goals of the EU's climate protection legislation. The expansion of technologies for climate-neutral energy generation is not the only important contribution to reducing greenhouse gases, the efficient use of material systems is also a key factor. In the area of plant engineering, steel components are provided with a wear-protection coating for efficient use to protect them against corrosive, tribological, thermal and mechanical stresses. The wear-protection coatings are primarily made of Co alloys, which are to be replaced by alternative materials, such as nickel alloys, because of the poor working conditions regarding the extraction of the cobalt and because of the health risks. In terms of corrosion behavior, many applications require a crack-free wear protection layer and additional machining. Machining by milling is not economical for wear materials, especially for SME because of the high tool wear, but it is essential to produce defined surfaces with high quality.
Alloy modifications of the filler metals for nickel-based plasma deposition welded wear protection coatings and the use of innovative ultrasonic-assisted milling processes are examined to determine how more favorable machinability can be achieved without reducing the wear protection potential. The focus is on the NiCrSiFeB alloy, which is intended to replace CoCr alloys in the area of screw machines. The modification of hard facing layers in terms of microstructure and precipitation morphology as well as suitability for machining is investigated and compared with the CoCr alloy. In this aspect, the alloy modifications are generated by a PTA process by systematically adjusting the preheating and interpass temperatures, a crack-free wear-resistant layer can be generated, which is subsequently machined by a milling process. In addition to the crack-free properties,
the microstructure, the bonding as well as the mixing between the NiCrFeB alloy and a 1.8550 as well as between the CoCr alloy and a 1.4828 are analyzed and compared in the joining areas. In addition, heating and cooling rates are determined and a chemical analysis of the weld metals is performed. This study provides important knowledge about the differences between NiCrFeB alloy and CoCr alloys in terms of microstructure morphology, bonding and mixing behavior in the joining zones to the basic material.
Alloy Modification and ultrasonic assisted milling of wear resistant alloys with defined surfaces
(2023)
The targets for reducing CO2 emissions are closely linked to the development of highly efficient and economical steel components in plant, process and power plant technology, which require wear protection coatings tailored to the application and steel material for high combined corrosive, tribological, thermal and mechanical stresses. There is a growing demand in industry for defined functional surfaces of high quality for these coatings. Milling is a standard process for finish machining. The desired properties of wear resistant alloys imply significant challenges for the milling process due to high tool wear and surface defects. Besides the hardness of the coating materials, especially due to the precipitations, inhomogeneous, anisotropic weld structures of the claddings lead to further deteriorations of milling processes due to unstable milling conditions and process forces.
A joint project of BAM and ISAF of TU Clausthal (Fosta P1550/IGF 21959 N) investigates the optimization of these challenging machining conditions by means of alloy modifications of the welding powder for plasma transferred arc cladding, without reducing the wear protection potential and using ultrasonic assisted milling process.
In this paper, the influence of the microstructure and precipitation morphology adjusted by means of alloy modification on machining for a NiCrMoSiFeB alloy (trade name: Colmonoy 56 PTA) is investigated. Through metallurgical investigations and in-situ measurement of cutting forces and temperatures at the cutting edge during the milling process as well as the subsequent investigation of tool wear and surface integrity, a detailed analysis and correlation between microstructural properties and machinability is feasible. The findings allow recommendations for standards and processing guidelines, enabling safe and economical production of highly stressed steel components with non-critical, cost-reduced materials.
Alloy Modification and ultrasonic assisted milling of wear resistant alloys with defined surfaces
(2023)
The targets for reducing CO2 emissions are closely linked to the development of highly efficient and economical steel components in plant, process and power plant technology, which require wear protection coatings tailored to the application and steel material for high combined corrosive, tribological, thermal and mechanical stresses. There is a growing demand in industry for defined functional surfaces of high quality for these coatings. Milling is a standard process for finish machining. The desired properties of wear resistant alloys imply significant challenges for the milling process due to high tool wear and surface defects. Besides the hardness of the coating materials, especially due to the precipitations, inhomogeneous, anisotropic weld structures of the claddings lead to further deteriorations of milling processes due to unstable milling conditions and process forces.
A joint project of BAM and ISAF of TU Clausthal (Fosta P1550/IGF 21959 N) investigates the optimization of these challenging machining conditions by means of alloy modifications of the welding powder for plasma transferred arc cladding, without reducing the wear protection potential and using ultrasonic assisted milling process.
In this paper, the influence of the microstructure and precipitation morphology adjusted by means of alloy modification on machining for a NiCrMoSiFeB alloy (trade name: Colmonoy 56 PTA) is investigated. Through metallurgical investigations and in-situ measurement of cutting forces and temperatures at the cutting edge during the milling process as well as the subsequent investigation of tool wear and surface integrity, a detailed analysis and correlation between microstructural properties and machinability is feasible. The findings allow recommendations for standards and processing guidelines, enabling safe and economical production of highly stressed steel components with non-critical, cost-reduced materials.
Alloy modification and ultrasonic assisted milling of wear resistant alloys with defined surfaces
(2023)
The targets for reducing CO2 emissions are closely linked to the development of highly efficient and economical steel components in plant, process and power plant technology, which require wear protection coatings tailored to the application and steel material for high combined corrosive, tribological, thermal and mechanical stresses. In addition to increasing demands to replace conventional cobalt alloys with nickel alloys as a result of price and supply risks, there is a growing demand in industry for defined functional surfaces of high quality for these coatings. Milling is a standard process for finish machining. The desired properties of wear resistant alloys imply significant challenges for the milling process due to high tool wear and surface defects. Besides the hardness of the coating materials, especially due to the precipitations, inhomogeneous, anisotropic weld structures of the claddings lead to further deteriorations of milling processes due to unstable milling conditions and process forces.
A joint project of BAM and ISAF of TU Clausthal (Fosta P1550/IGF 21959 N) investigates the optimization of these challenging machining conditions by means of alloy modifications of the welding powder for plasma transferred arc cladding, without reducing the wear protection potential and using ultrasonic assisted milling process.
In this paper, the influence of the microstructure and precipitation morphology adjusted by means of alloy modification on machining is investigated. The alloy used is a NiCrMoSiFeB alloy (trade name: Colmonoy 56 PTA). Through metallurgical investigations and in-situ measurement of cutting forces and temperatures at the cutting edge during the milling process as well as the subsequent investigation of tool wear and surface integrity, a detailed analysis and correlation between microstructural properties and machinability is feasible. The findings allow recommendations for standards and processing guidelines, enabling safe and economical production of highly stressed steel components with non-critical, cost-reduced materials.
The long-term global goals of achieving almost net zero carbon emissions in the next decades are closely linked to the development of highly efficient components in plant, process and energy engineering, and their sustainable and resource-saving production. Plant components must increasingly withstand tribological loads in addition to high thermal, mechanical, and corrosive stresses. Such combined stresses demand high-performance alloys economically tailored to the application for wear protection and components produced as semi-finished products, via additive manufacturing (AM) or claddings via deposition welding. For instance, the protection of special components made of less cost-intensive materials, e.g., steel in process engineering for screw machines or exhaust gas separation, is feasible applying cost-intensive Ni- or Co-based hard-phase claddings.
Today an increasing number of above-mentioned applications demand precise finishing machining of components to ensure defined compact surfaces with a high integrity and complex contours. Contour milling is standard process for finishing machining of metals. Especially, the desired properties of wear resistant materials (e.g., high strength, hard precipitations) imply significant challenges for milling processes and tools, leading frequently to uneconomic milling conditions due to intolerable high tool wear and surface defects. Inhomogeneous, anisotropic weld structures due to cladding or AM of wear resistance alloys lead to further deteriorations of milling processes due to unstable milling conditions and process forces during chip removal.
To tackle these challenges, already several approaches exist, (1) to enhance machinability of the claddings by alloy modifications to specifically influence solidification and hard phases morphology (precipitation shape, size, distribution) and (2) to achieve significant improvements of the machining situation (e.g., increase of tool life and surfaces integrity) by means of modern hybrid machining processes such as ultrasonic-assisted milling. This contribution shows a comprehensive overview of recent results with these promising approaches for additively welded Ni- CoCr-alloys.
In vielen Anwendungen werden aufgrund zunehmender Anforderungen an den Widerstand gegenüber hohen, kombinierten mechanischen, tribologischen, thermischen und korrosiven Beanspruchungen Hochleistungsle¬gierungen eingesetzt. Den vielfach komplexen Bauteilstrukturen, herausfordernden Fertigungseigenschaften und der Erhöhung der Ressourceneffizienz lässt sich heute mit der additiven Fertigung (AM) begegnen, dem oftmals noch unzureichende Kenntnisse über die resultierende Homogenität und Anisotropie der speziellen Gefüge und den damit verbundenen Eigenschaften entgegensteht. Viele Anwendungen benötigen zudem definierte Oberflächen mit hohen Anforderungen an die Oberflächenintegrität, dem durch komplementären Einsatz von additiven und abtragenden Fertigungsschritten Rechnung getragen wird. Hochleistungslegierungen auf der Basis von Nickel oder Kobalt sind infolge der niedrigen Wärmeleitfähigkeit verbunden mit hoher Festigkeit und Zähigkeit äußerst herausfordernd mit Blick auf eine wirtschaftliche Zerspanung mit geometrisch bestimmter Schneide. Ein Vorhaben (IGF-Nr. 20.979 N/DVS-Nr. 1.3211) der BAM und TU Clausthal/ISAF befasst sich mit der Lösung dieser Problemstellung durch gezielte Beeinflussung des Gefüges mittels Modifikation der Schweißzusatzwerkstoffe und den Einsatz des ultraschallunterstützten Fräsens (US), bei gleichzeitiger Sicherstellung der geforderten Eigenschaften der untersuchten Werkstoffe. Es werden die Ergebnisse der Mikrostruktur und der Zerspanbarkeit der Modifikationen der MSG-Schweißung der FeNi36-Referenzlegierung mit 0,4 Gew.-% Zr und der Modifikationen der MSG-Schweißung der CoCr-Referenzlegierung mit 1 Gew.-% Zr sowie Hf vorgestellt. Abschließend werden aus den Ergebnissen Handlungsempfehlungen abgeleitet.