9.2 Versuchsanlagen und Prüftechnik
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Das DVS-Vorhaben 01.3211 „Herstellung beanspruchungsgerechter Oberflächen durch Kombination innovativer additiver und abtragender Fertigungsschritte an hochbelasteten Komponenten“ ist ein Kooperationsprojekt der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) und dem Institut für Schweißtechnik und Trennende Fertigungsverfahren (ISAF) der Technischen Universität Clausthal. Das Übergeordnete Projektziel ist das Erlangen von Erkenntnissen für eine sichere und wirtschaftliche, kombinierte additive und abtragende Fertigung aus kostenintensiven Werkstoffen hochbelasteter Komponenten insbesondere für KMU. Dabei stehe die beiden Werkstoffe CoCr26Ni9Mo5W (2.4681) und FeNi36 (1.3912) im Fokus. Mittels Modifikation der Schweißzusätze sind homogen und isotrop ausgeprägte Werkstoffeigenschaften und eine Erhöhung der Prozessstabilität und Fertigungsfreiheitsgrade bei der additiven Fertigung erzielbar. Darüber hinaus wird der Einfluss nachfolgender abtragender Bearbeitungsschritte des ultraschallunterstützen und des konventionellen Fräsprozesses untersucht. Die mit dem Forschungsvorhaben verbundenen Nutzen für KMU sind die Stärkung der Innovationsfähigkeit und der Wirtschaftlichkeit sowie die Erhöhung der Wettbewerbsfähigkeit. In AP-2 wurden die Legierungsmodifikationen des CoCr-Ausgangswerkstoff abgeschlossen und weitere Legierungsmodifikationen des FeNi36-Ausgangswerkstoffes erstellt. In AP-4 wurden erste Zerspanversuche an den Modifikationen des FeNi36-Ausgangswerkstoffes gefahren. Ferner wurden erste Eigenspannungsanalysen an schlichtgefrästen Proben durchgeführt.
Alloy 36 (1.3912), also known as “Invar”, is an alloy with 36% nickel. It was developed in 1897 by Guillaume and stands out for its very low thermal expansion coefficient. It is classified as a difficult-to-cut material and is commonly used for the production of fiber-reinforced composites in the field of mold construction. Additive manufacturing (AM) offers many economic advantages regarding the repair, modification and manufacture of entire components. Subsequent machining of the AM components is necessary to account for complex structures, final contours or defined surfaces. This is usually done using a tool with a geometrically defined cutting edge, i.e., milling processes. Surface integrity is determined by metallurgical (e.g., microstructure of the subsurface), topological (e.g., surface defects, roughness) and mechanical (e.g., residual stresses) factors, which is crucial in terms of component safety and performance. Modern, hybrid cutting processes, such as ultrasonic-assisted milling (US), provide potentially improvement of the cutting situation of these components.
In part I of this investigation, the initial alloy 36 is modified with the elements Ti, Zr and Nb up to a maximum of 1 wt.-%. The influence of the modification elements on the microstructure as well as on the hardness of the AM components is examined. Part II focusses on the effect of the alloy modifications on machinability as well as on the surface integrity of plasma-transferred-arc-welded (PTA) and finish milled invar components.
The results show a significant positive influence of ultrasonic assistance on the resulting cutting force of both materials. The modification with 1% Ti shows a positive influence on the surface integrity, as the roughness of the conventional machining processes is lower compared to the initial alloy, which has to be confirmed in further experiments.
Ni alloys are cost intensive materials and generally classified as difficult-to-cut materials. However, machining of these materials is needed especially in case of alloy 36 (1.3912), which is commonly used in mould construction for the production of fibre-reinforced composites. With regard to repair, modification and manufacturing of such components, additive manufacturing offers significant economic advantages. Nevertheless, subsequent machining steps are needed to achieve the final component contour and defined surface conditions. Dependent on the material and machining process conditions, detrimental tensile residual stresses may be the result on the machined surface, having negative impact on the component performance and safety. Recent studies exhibited that hybrid machining processes, such as ultrasonic-assisted milling (USAM), are suitable for achieving favourable residual stress states at the surface of difficult-to-cut Ni-Cr alloys. In this investigation, wire arc additive manufactured (WAAM) specimens of alloy 36 were finish milled under different milling conditions. In addition to the machined surfaces condition and topology, the surface-near residual stresses were analysed using X-ray diffraction (XRD). Especially for low cutting speeds, significantly improved surface properties, roughness parameters and lower mechanical and microstructural degradations were found for the specimen machined with USAM compared to conventional milling. The improved surface integrity could furthermore be observed by a significant reduction of the tensile residual stresses in the surface boundary area.
Untersuchungsmethoden beim Fräsen additiv gefertigter schwer spanbarer Kobalt-Chrom-Legierungen
(2022)
Für den Anlagenbau werden hochbelastete Komponenten aus Co-Cr-Legierungen hergestellt. Dabei ist die Zerspanung so herausfordernd, dass additive Fertigungsschritte oft wirtschaftlicher sind. Diese bedingen aber vorwiegende heterogene, anisotrope Gefüge und Eigenschaften und bei nachfolgender Fräsbearbeitung unstetige Zerspankräfte und instabile Spanvorgänge. Hierbei können hybride Zerspanprozesse helfen, hohe Belastungen für Werkzeug und Werkstückoberfläche zu minimieren. Diesbezügliche Charakterisierungen erfordern speziell adaptierte Zerspanungsanalysen.
Anhand eines Anwendungsbeispiels, bei dem eine Modifikation der Ausgangslegierung mit 1 % Hf erfolgte, wird die Wechselwirkung zwischen Gefügemorphologie und Fräsprozess dargestellt, der konventionelle mit einem hybriden ultraschallunterstützten Fräsprozess verglichen und die Charakterisierung des Werkzeugverschleißes anhand zweier verschiedener Fräser betrachtet. Analysen auftretender Prozesskräfte mittels Piezo-Mehrkomponenten-Dynamometer, der Werkzeugoszillation mittels Laser-Vibrometer und zusätzliche In-situ-Temperaturmessungen der Werkzeugschneiden mittels Highspeed-Pyrometer bilden den Kern der neuen Zerspanungsprüftechnik.
Die vorgestellten Untersuchungsmethoden bilden die Vorgänge bei der Zerspanung additiv gefertigter Werkstoffe detailliert und reproduzierbar ab. Sowohl Legierungsmodifikation als auch hybride Prozessbedingungen lassen gezielte Einflüsse zur deutlichen Verbesserung der Zerspanungssituation zu.
Ni alloys are cost intensive materials and generally classified as difficult-to-cut materials. However, machining of these materials is needed especially in case of alloy 36 (1.3912), which is commonly used in mould construction for the production of fibre-reinforced composites. With regard to repair, modification and manufacturing of such components, additive manufacturing offers significant economic advantages. Nevertheless, subsequent machining steps are needed to achieve the final component contour and defined surface conditions. Dependent on the material and machining process conditions, detrimental tensile residual stresses may be the result on the machined surface, having negative impact on the component performance and safety. Recent studies exhibited that hybrid machining processes, such as ultrasonic-assisted milling (USAM), are suitable for achieving favourable residual stress states at the surface of difficult-to-cut Ni-Cr alloys. In this investigation, wire arc additive manufactured (WAAM) specimens of alloy 36 were finish milled under different milling conditions. In addition to the machined surfaces condition and topology, the surface-near residual stresses were analysed using X-ray diffraction (XRD). Especially for low cutting speeds, significantly improved surface properties, roughness parameters and lower mechanical and microstructural degradations were found for the specimen machined with USAM compared to conventional milling. The improved surface integrity could furthermore be observed by a significant reduction of the tensile residual stresses in the surface boundary area.
Für den Anlagenbau werden hochbelastete Komponenten aus Co-Cr-Legierungen hergestellt. Dabei ist die Zerspanung so herausfordernd, dass additive Fertigungsschritte oft wirtschaftlicher sind. Diese bedingen aber vorwiegende heterogene, anisotrope Gefüge und Eigenschaften und bei nachfolgender Fräsbearbeitung unstetige Zerspankräfte und instabile Spanvorgänge. Hierbei können hybride Zerspanprozesse helfen, hohe Belastungen für Werkzeug und Werkstückoberfläche zu minimieren. Diesbezügliche Charakterisierungen erfordern speziell adaptierte Zerspanungsanalysen.
Anhand eines Anwendungsbeispiels, bei dem eine Modifikation der Ausgangslegierung mit 1 % Hf erfolgte, wird die Wechselwirkung zwischen Gefügemorphologie und Fräsprozess dargestellt, der konventionelle mit einem hybriden ultraschallunterstützten Fräsprozess verglichen und die Charakterisierung des Werkzeugverschleißes anhand zweier verschiedener Fräser betrachtet. Analysen auftretender Prozesskräfte mittels Piezo-Mehrkomponenten-Dynamometer, der Werkzeugoszillation mittels Laser-Vibrometer und zusätzliche In-situ-Temperaturmessungen der Werkzeugschneiden mittels Highspeed-Pyrometer bilden den Kern der neuen Zerspanungsprüftechik.
Die vorgestellten Untersuchungsmethoden bilden die Vorgänge bei der Zerspanung additiv gefertigter Werkstoffe detailliert und reproduzierbar ab. Sowohl Legierungsmodifikation als auch hybride Prozessbedingungen lassen gezielte Einflüsse zur deutlichen Verbesserung der Zerspanungssituation zu.
Die Integrität von Leichtbaustrukturen aus hochfesten Stählen ist zunehmend durch die Bildung von Heißrissen gefährdet. Aktuell treten Erstarrungsrisse an Konstruktionsmerkmalen auf, obwohl heißrisssichere niedriglegierte Grund- und Zusatzwerkstoffe als auch Schweißprozessbedingungen eingesetzt wurden. Werkstoff- und prozessseitig wurden diese Rissursachen bereits eingehend erforscht. Untersuchungen zum Aspekt der konstruktiv bedingten Heißrissvermeidung, aus denen sich Empfehlungen für ein beanspruchungsgerechtes Gestalten für KMU ableiten lassen, liegen bislang lückenhaft vor bzw. sind veraltet und für hochfeste Leichtbauten kaum zielführend. Konstruktive Gegenmaßnahmen zur Vermeidung von Erstarrungsrissen liegen oft nicht vor. Das Design und die konstruktiven Randbedingungen beeinflussen die Erstarrungsrisse entscheidend. Um eine schnelle Umsetzbarkeit der Resultate für KMU zu ermöglichen, soll eine einfache und kostengünstige Methodik zur Heißrissbewertung entwickelt werden. Gerade KMU haben einen hohen Nachholbedarf an heißrisssicheren und wirtschaftlichen Leichtbaulösungen. Konstrukteure und Anwender aus KMU würden durch fundierte Kenntnisse über mögliche erstarrungsrisskritische Beanspruchungszustände kostenintensive Qualitätsmängel vermeiden. Das Ziel ist es, Kenngrößen zu identifizieren, die während des Schweißens unter realitätsnahen Bedingungen erfasst werden können. Diese Parameter werden als Transfergrößen genutzt, um eine Heißrissbewertung eines geschweißten Bauteils zu ermöglichen. Anliegen des Vorhabens wird die Prüfung und Bewertung von typischen Beanspruchungszuständen beim Schweißen von Leichtbaustrukturen hinsichtlich ihrer Erstarrungsrissneigung sein. Durch Ableitung klassifizierter Gestaltungshinweise wird ein signifikanter Beitrag zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit insbesondere für KMU geliefert. Die Ergebnisse werden in Normen zur sicheren schweißtechnischen Fertigung von Leichtbaustrukturen aus hochfesten Stählen direkt einfließen.
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.
Eisenaluminide eignen sich als Werkstoff für sicherheitsrelevante Komponenten welche hohen thermischen, mechanischen und korrosiven Belastungen ausgesetzt sind. Mit ihrer geringen Dichte und der kostengünstigen Verfügbarkeit der Legierungsbestandteile bieten sie ein hohes Marktpotenzial und eignen sich als Substitutionswerkstoff konventioneller Hochtemperaturwerkstoffe. Durch die Verwendung von Dauerformen im Kokillenguss lassen sich FeAl-Bauteile bereits äußerst wirtschaftlich herstellen. Das dabei entstehende komplexe, mehrphasige, sehr feinkörnige Gefüge mit harten Ausscheidungen und hohen Festigkeiten erschwert jedoch eine nachfolgende spanende Bearbeitung mit hohen Belastungen auf Werkzeug und Bauteiloberfläche. Um eine gesamtheitlich wirtschaftliche Herstellungsroute zu ermöglichen, sollen im Hinblick auf die erschwerte Zerspanbarkeit geeignete Werkzeuge und Fräsprozesse entwickelt werden. Durch die Verwendung des hybriden Bearbeitungsverfahrens des ultraschallunterstützten Fräsens können diese Ziele unter Einhaltung der hohen Anforderung an die Oberflächenintegrität sicherheitsrelevanter Bauteile erreicht werden.
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.