9.0 Abteilungsleitung und andere
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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.
The Tsumeb Mine in Namibia represents one of the best-preserved mining sites in the world and is rapidly gaining cross-disciplinary interest among cultural and engineering scientists. Most of the open pit and the shaft mining equipment are still in place, including the ore processing units and the local power plant. The mining area thus deserves recognition as an industrial world heritage site, especially due to the rarity of such locations on the African continent. The Shaft #1 headgear, built in 1924, represents one of the oldest known riveted steel headgears of the Promnitz design worldwide. In contrast to similar steel structures located in the northern hemisphere, it has been exposed to a different rural semi-arid climate since it is located in the Otavi Mountain Land, characterized by semi-annual change of rainy and dry seasons. Parts of the Shaft #1 headgear have remained largely untouched for more than 70 years. Besides its outstanding heritage value, it thus also represents an interesting object for studying the composition of corrosion layers formed on mild steel surfaces when exposed to continental and industrial mining atmospheres. To find a suitable transparent corrosion prevention coating, various on-site coating samples were evaluated after 11 months of outdoor exposure, including Owatrol Oil®, which is based on natural oil and alkyd resin with strong wicking potential. The substance is frequently applied for the conservation of single components but is not yet widely used on large steel structures in the field of industrial heritage conservation. However, it represented the most stable anti-corrosion coating under the local atmospheric conditions in the on-site tests. Thus, the suitability of Owatrol Oil® as a transparent coating for corrosion protection of riveted mild steel structures in such climates was further investigated as a more recent approach for the conservation of large steel structures. Since the protective coatings are exposed to strong UV radiation in the local climate, the addition of a specific UV stabilizer mixture was also tested. For such laboratory tests, two mild steel samples were taken. The first one originated from a diagonal strut of the 1920s and the second one from a handrail mounted in the early 1960s. Using corresponding high-resolution scanning electron microscopy (HR-SEM) and energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX) it was found that the corrosion layers are predominantly composed of lepidocrocite and goethite. A weathering program simulating the specific environmental conditions at Tsumeb in a UV climate chamber was developed and the corrosion resistance of the mild steel surface was subsequently evaluated by potentiodynamic measurements. Such tests proved to be a fast and reliable procedure for ranking the corrosion resistance of the old mild steels. It was found that the long-term corrosion layers already provide significant protection against further corrosion in the simulated environment. However, the study also showed that this can be further improved by the application of the Owatrol Oil® as a protective coating that also seals crevices. The addition of the UV stabilizers, however, led to a significant deterioration in corrosion protection, even in comparison to that of the uncoated long-term corrosion layers on the surface. Regular overcoating seems more advisable for the long-term preservation of the Shaft #1 headgear than modifying the Owatrol Oil® Coating with the tested UV-stabilizing additives.
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. Limited data on room temperature diffusion coefficients reported in literature vary widely by several orders of magnitude (mostly attributed to variation in 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. From the results obtained, diffusion coefficients were calculated using to different methods, time-lag, and inflection point. Results show that, despite 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.
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.
Wasserstoff kann eine Rissbildung u.U. auch noch nach Tagen in der Schweißnaht bewirken. Dabei stellen höherfeste Stähle etablierte Kaltrissprüftests vor Herausforderungen. Generell nimmt die zur Rissvermeidung tolerierbare Wasserstoffkonzentration mit zunehmender Festigkeit der Werkstoffe ab. Zudem verändern weiterentwickelte Schweißverfahren die Nahtgeometrie und Wärmeeinbringung und die Ausbildung risskritischer Mikrostrukturen (z.B. Wärmeeinflusszone). 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.
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.
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 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.