Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Die hohen Betriebstemperaturen während des Einsatzes von Radialverdichterrädern in Abgasturboladern führen zu einer Änderung der ursprünglich eingestellten Mikrostruktur in der warmfesten Aluminiumlegierung EN AW-2618A (Überalterung). Grund dafür sind thermische Belastungen, die nahe der Aushärtetemperatur liegen und diese kurzzeitig sogar überschreiten können. Die Alterungsmechanismen wurden zusammen mit den Themen niederzyklische (LCF) und thermomechanische Ermüdung (TMF) sowie Kriechen bis max. 190 °C in vorangegangenen Forschungsvorhaben untersucht. Kaum untersucht war bisher das Verhalten der Legierung unter hochzyklischer Beanspruchung (HCF) sowie der Einfluss von Kerben und Lastkollektiven. Da zukünftig mit weiter steigenden Betriebstemperaturen für Radialverdichter zu rechnen ist, wurde in diesem Forschungsvorhaben das HCF-Verhalten bei 230 °C untersucht und somit bei einer Prüftemperatur, die deutlich oberhalb der Aushärtetemperatur liegt. Das Ziel des Projektes war der Aufbau einer geeigneten experimentellen Datenbasis, das Verständnis der relevanten mikrostrukturellen Prozesse sowie die Weiterentwicklung und Anpassung geeigneter Modelle und Bewertungsmethoden.
Das experimentelle Untersuchungsprogramm umfasste neben einer Basischarakterisierung des HCF-Verhaltens am Ausgangszustand T61 gezielte mechanische Versuche zur Isolierung der Einflussfakto-ren Mittelspannung (𝑅 = −1, 𝑅 = 0,1), Werkstoffüberalterung (T61, 10 h/230 °C, 1000 h/230 °C), Prüftemperatur (20 °C, 230 °C), Prüffrequenz (0,2 Hz, 20 Hz) sowie Kerbwirkung und variable Amplituden. Darauf aufbauend wurden die in den vorangegangenen Projekten entwickelten Modelle und Bewertungsmethoden angepasst und weiterentwickelt, um die genannten thermischen und mechanischen Belastungen in der Lebensdauerbewertung abzubilden.
Eine Grundanforderung an Bauteile ist deren mechanische Integrität, die als Festigkeit (globale Bauteilbeanspruchung) bzw. Tragfestigkeit (lokale Beanspruchung) zu verstehen ist. Die Bauteilfestigkeit wird wesentlich durch das Materialgefüge bestimmt und kann über die Prüfung der Härte des Grundwerkstoffes lokal erfasst werden. Bei Bauteilverbindungen (z.B. Schweißnähte) ist zudem der Übergangsbereich zwischen den Fügeteilen von besonderem Interesse, bei Passungen oder Gleitlagern sind zudem geringe Rauheiten erforderlich, die oft durch mechanische Oberflächen-bearbeitung realisiert werden. Leichtbauweisen können sowohl über hochfeste Stahllegierungen bei geringem Materialeinsatz als auch über Aluminiumlegierungen realisiert werden. Für unterschied-liche Grundwerkstoffe (X2CrNiMo18-14-3, Co-Cr-W-Ni, AlSi10Mg, X5CrNi1810, ferritische Schweiß-nähte) werden an Quer- und Oberflächenschliffen Änderungen im Gefüge, morphologische Besonderheiten, Härteverläufe sowie Änderungen in den Rauheitskennwerten betrachtet, wie sie im Ergebnis mechanischer Oberflächenbearbeitung, bedingt durch den Herstellungsprozess, die Beanspruchung oder den Fügeprozess auftreten. Zur Validierung der Härtebestimmung wurde ein Laborvergleichsversuch an einer MPA-zertifizierten Härtevergleichsplatte und einer 100Cr6 Referenzprobe durchgeführt, den drei bzw. fünf der insgesamt fünf Teilnehmer bestanden.
Aluminum is an often-used building material in modern architecture. In recent years buildings from the 1950th and 1960th are increasingly subject of conservation works including the aluminum parts. Typical surface damages are signs of corrosion caused by weathering processes or scratches in the anodized layer due to extensive wear. To repair damaged aluminum surfaces, there are usually two options: smaller areas are repaired by using a touch-up pen, for larger damages it is necessary to remove the anodized layer completely. Both possibilities are disadvantageous for the objects; the touch-up pen often does not match the color together with an insufficient corrosion protection, while newly anodized layers often differ in color and gloss from the original surface.
For this reason, a research project was initiated to develop a mobile method to repair anodized aluminum parts. The first step focusses on the mobile anodization process by using the electrolyte with a gel substrate. Different cathodic materials are to be tested together with appropriate cooling material. The anodized area should be isolated to protect undamaged areas. Examinations of the produced layers are conducted by using Keyence microscope, eddy current testing and ESEM analysis. Further steps are to transform the coloring and sealing process for mobile application. Color could be applied by using a brush or by spray while the sealing process could be performed with water vapor. An heatable putty knife could be used, if heating up the area will be necessary. Once the application process is developed, the anodization will be tested on samples with artificial damages, fixed in horizontal and vertical positions. The stability of the anodized surface will be examined by accelerated ageing in a climate chamber and outdoor weathering.
The electrolyte (diluted sulfuric acid) was combined with a gel binder to enable a mobile application. Several thickening agents were tested concerning their conductivity and stability in acid systems. Anodization tests with different cathodic material and shapes were conducted. The temperature during anodization was controlled and adjusted if necessary. The anodized area was restricted by using either a lacquer, an adhesive or a removable silicon barrier. The fist results show the feasibility of the method on enclosed areas. The achieved thickness was measured by eddy current testing and the structure was controlled by ESEM analysis. The examinations show a connection between thickness and porosity of the anodized layers and the temperature during the application process.
Next steps are testing mobile coloring and sealing methods followed by mobile anodization on artificial damaged areas.
The very strong Lewis acid aluminium chlorofluo-ride (ACF) was loaded with anhydrous HF. The interactionbetween the surface of the catalyst and HF was investigatedusing a variety of characterization methods, which revealed he formation of polyfluorides. Moreover, the reactivity ofthe HF-loaded ACF towards the hydrofluorination of alkyneswas studied.
The corrosion resistance of aluminium surfaces is closely linked to the surfacecstate after a grinding process. For years, iron‐containing abrasive materials were suspected to lead to increased corrosion susceptibility after processing of aluminium surfaces. To prove a possible correlation between the iron content of an abrasive and the corrosion behaviour of aluminium components, scientific investigations and experimentally practical corrosion tests are necessary.
For the current investigation, specimens of a technical Al‐Si alloy from the same batch were used. The test specimens were mechanically ground with various resin‐bonded model abrasives containing different iron contents. The performed corrosion tests did not reveal a negative influence of the different iron‐containing abrasives on the corrosion behaviour of the Al–Si alloy.
However, the most sensitive measuring method (electrochemical noise)
showed differences in the surface activity depending on the type of abrasive.
The creep strengthening mechanisms in (age-hardenable) aluminum alloys are analyzed on the basis of a new microstructural study of powder samples, an analysis of a comprehensive revision of creep data from the literature, and a new modeling approach. A strategy based on the strength difference (SD) method to separate the contributions of solid solution atoms and precipitates to creep strengthening is proposed. The new methodology considers the combination of the two contributions avoiding the need of a threshold stress term in the creep equation. The contribution of both precipitates and solid solution is taken into account by means of the analysis of the lattice parameter variation with aging time. For this study, powders of two commercial AA2xxx alloys have been analyzed using diffraction methods. The experimental results are modeled using Lubarda's approach combined with the SD method.
Der Vortrag behandelt die Grundlagen der Korrosion sowie einzelene Aspekte von Korrosionsschutzmethoden. Weiterhin werden Themen wie Bimetallkorrosion und Spaltkorrosion erläutert. Es werden passivierbare Werkstoffe und deren Eigenschaften im Hinblick auf einen korrosionsschutzgerechten Einsatz vorgestellt.
The fabrication and characteristics of amorphous silica reinforced Al matrix composites are studied in this paper. The major starting materials were commercial Al powder and extracted nanoparticle SiO2 (NPS) powder from Indonesian silica sands. Two different active solutions,namely N-butanol and tetramethylammonium hydroxide (TMAH), were introduced during synthesis. Characterisations in terms of physical, mechanical, microstructural and corrosion rate examinations were also employed. Introducing the SiO2 nanoparticles into the Al matrix has decreased the density and increased the porosity of the composites. The addition of N-butanol into Al/SiO2(Al/SiO2(B)) led to broader and lower X-ray diffraction profiles than the addition of TMAH (Al/SiO2(T)). From the microstructural analysis, we found that the SiO2 particles enter and agglomerate into the opening gap of the Al sheets. Furthermore, yield strength, ultimate compression strength and modulus of elasticity tended to reduce the addition of SiO2. The corrosion rate of Al/SiO2(T) was lower than that of Al/SiO2(B) composites.
The performance of adhesively joined hybrid components relies strongly on the stability of the adhesive-material interface. With the increasing utilization of multi-material structures in the automotive and aerospace industry, it is of great scientific and technical interest to understand the processes leading to adhesive failure and to develop novel strategies to increase corrosion and delamination resistance of adhesive joints.
The aim of this study is to develop thin epoxy based films and their carbon nanofiller loaded composites on aluminium alloy AA2024-T3 and to investigate their interfacial stability under corrosive and coupled corrosive-mechanical load. Spin coating was used for the layer-by-layer deposition of poly[(o-cresyl glycidyl ether)-co-formaldehyde] and poly-(ethylenimine) bi-layers. Carbon nanofillers are introduced either by mixing into the coating components or in between individual layers. Cyclic voltammetry (CV) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) analysis was performed to investigate the porosity and water uptake of the model films, respectively. Atomic force microscopy (AFM) results indicated a very homogeneous and dense film with low surface roughness. The bi-layer thickness ranged between 30 to 40 nm. Electrochemical measurements show a higher corrosion resistance with the increase of the bi-layer number.
The main novelty of this contribution is the in-situ AFM investigations under coupled corrosive-mechanical load. For this purpose, a tensile module capable of uniaxial stretching and compression with up to 5 kN force was integrated into the AFM stage. Stretching experiments were performed to investigate the mechanical properties and adhesion of the films, as well as structural changes of the film morphology during uniaxial deformation. The contribution will provide detailed information on the new AFM setup and summarize our results on the stability of model epoxy and nanocomposite films on AA2024-T3.
The influence of heat treatment and creep loading on the microstructure of an Al-Cu-Li alloy was investigated. Especially the formation of different precipitates (T1 and Theta') were characterized and the microstructural changes under different ageing conditions (with and without external strain) were investigated to determine the effect od stress on the ageing process.
The influence of heat treatment and creep loading on the microstructure of an Al-Cu-Li alloy was investigated. Especially the formation of different precipitates (T1 and Theta') were characterized and the microstructural changes under different ageing conditions (with and without external strain) were investigated to determine the effect od stress on the ageing process.
Two metal matrix composites, both consisting of a near-eutectic cast AlSi12CuMgNi alloy, one reinforced with 15%vol. Al2O3 short fibers and the other with 7%vol. Al2O3 short fibers + 15%vol. SiC particles were studied. Distribution, orientation, and volume fraction of the different phases was determined by means of synchrotron computed tomography. The load partitioning between phases was investigated by in-situ neutron diffraction compression tests. The internal damage of the eutectic Si phase and Al2O3 fibers after ex-situ compression tests was directly observed in CT reconstructed volumes. Significant debonding between Al-matrix and SiC particles was found. Those observations allowed rationalizing the load transfer among the constituent phases of two different composites. Finally, based on the Maxwell scheme, a micro-mechanical model was utilized for the composite with one and two ceramic reinforcements. The model rationalizes the experimental data, and predicts the evolution of principal stresses in each phase.
In diesem Forschungsvorhaben wurde ein Verfahren entwickelt, um die Genauigkeit der Lebensdauerbewertung für Abgasturbolader (ATL)-Verdichterräder aus der ausscheidungs-härtbaren Aluminiumlegierung EN AW-2618A zu verbessern. Dies umfasst insbesondere die Berücksichtigung der Werkstoffalterung, mit der beim Einsatz dieser Bauteile unter entsprechender Betriebsbeanspruchung (Temperatur, Zeit, Spannung) gerechnet werden muss. Zunächst wurde eine solide experimentelle Datenbasis für den untersuchten Werkstoff geschaffen. Dies umfasste sowohl eine mechanische als auch eine mikrostrukturelle Charakterisierung des Ausgangszustands (T61) sowie von ausgelagerten Zuständen bis zu 25.000 h bei betriebsrelevanten Temperaturen (160 °C, 180 °C, 190 °C). Bei den Untersuchungen zur Mikrostruktur wurde der Fokus auf die Entwicklung der Radien der stäbchen-förmigen aushärtenden Phase gelegt, die während der Alterung vergröbern. Der Zusammenhang zwischen Auslagerungstemperatur, -zeit und ggfs. mechanischer Belastung wurde erstmals in diesem Umfang quantifiziert und entsprechende Gesetzmäßigkeiten zur Beschreibung der Vergröberung ermittelt. Vergleichend dazu wurde der Einfluss der Alterung auf die Härte, die Festigkeit, das Kriechverhalten und die Ermüdungslebensdauer (LCF, TMF) bestimmt, so dass eine Korrelation zur Mikrostruktur vorliegt.
Die Ergebnisse der Kriechversuche wurden zur Kalibrierung eines modifizierten Sinus-hyperbolicus-Kriechmodells verwendet. Ein zeit- und temperaturabhängiges Verformungsmodell nach Chaboche, welches die wesentlichen Phänomene der Hochtemperaturverformung und der Wechselplastizität beschreibt, wurde erweitert und berücksichtigt nun die Werkstoffalterung, indem die Festigkeit nicht nur als Funktion der Temperatur, sondern auch des Alterungszustands (d. h. des mittleren Radius der Ausscheidungen) dargestellt wird. Für die Erweiterung des Modells zur Bewertung der Ermüdungslebensdauer wurde analog verfahren. Die berechnete Lebensdauer der im Verlauf des Vorhabens durchgeführten LCF- und TMF-Versuche stimmt gut mit den experimentellen Ergebnissen überein. Lediglich ein LCF-Versuch mit einer Haltezeit von 900 s im Zug weicht deutlich vom Mittelwert ab und zeigt die Grenzen des zeitunabhängigen Schädigungsmodells auf. Versuche mit kürzeren Haltezeiten bis zu 60 s liegen im Streuband, ebenso die verschiedenen Alterungszustände. Eine Schädigungsakkumulation unter Berücksichtigung der fortschreitenden Alterung über der Lebensdauer wurde entwickelt und implementiert. Neben der Berücksichtigung der Alterung in der Verformungs- und Lebensdaueranalyse besteht auch die Möglichkeit, komplexe Belastungszyklen in einem Postprozessing zu bewerten, indem Rainflow-Klassierungen typischer komplexer Belastungszyklen vorgenommen werden.
Die Methodik und die Modelle wurden in die Finite-Elemente-Programme Abaqus und Ansys implementiert und stehen für die rechnerische Bewertung von Bauteilen zur Verfügung.
Die Reduktion des Fahrzeuggewichts ist ein wesentlicher Ansatz zur Ver-ringerung des Energie- und Ressourcenverbrauchs und damit zur Senkung der CO2-Emissionen im Automobilbau. In der Karosserieentwicklung kann der vermehrte Einsatz von Aluminiumwerkstoffen einen bedeutenden Beitrag dazu leisten. Im preissensitiven Umfeld des Karosseriebaus etabliert sich das bei Stahlanwendungen genutzte Widerstandspunktschweißen zunehmend auch für Aluminiumverbindungen. Verfahrensbedingte Herausforderungen, wie verkürzte Elektrodenstandzeiten und mangelnde Kenntnis über den Einfluss von Imperfektionen auf die Festigkeit, begrenzen dennoch die Weiterverbreitung des Verfahrens und stellen die Prozessrobustheit insgesamt in Frage. Im Rahmen des hier vorgestellten Forschungsvorhabens wurden das Auftreten verschiedener Brucharten experimentell untersucht und Prognosefunktionen zur Abschätzung der Tragfähigkeit von Widerstandspunktschweißverbindungen unter verschiedenen Belastungsfällen erstellt. Anschließend wurde der Einfluss von Oberflächenrissen und Rissen in der Schweißlinse auf die Scherzugfestigkeit sowohl experimentell als auch simulativ analysiert.
Characterization of multiphase metal matrix composites by means of CT and neutron diffraction
(2016)
The present study examines the relationship between the microstructure of multiphase MMC and their damage mechanisms. The matrix AlSi12CuMgNi was combined with 15% vol. Al2O3 (short fibres) and with 7% vol. Al2O3 + 15% vol. SiC (short fibres and whiskers, respectively). The experimental approach encompasses 3D microstructure characterization by means of computed tomography of samples (a) as-received, (b) after heat treatment, and (c) after compression tests at room temperature. The volume fraction of different phases, their distribution, their orientation and the presence of defects and damage are studied.
Influence of addition of SiC whiskers on mechanical properties of composite was investigated. Phase-specific load partition analysis for samples with fibre plane parallel to load was perform by using neutron diffraction measurements during in-situ compression. It shows damage in the Si phase, while Al2O3 short fibres carry load without damage until failure. The computed tomography observations confirm the load partition analysis.
Hausmüllverbrennungsasche soll aufgrund ihrer chemisch-mineralogischen Eigenschaften als Gesteinskörnung zur Herstellung von Normalbetonen eingesetzt werden. Durch Bestandteile, wie Chloride, metallisches Aluminium und Altglasfragmente, entstehen aber in kürzester Zeit beträchtliche Betonschäden. Durch zusätzliche mechanische, chemische oder thermische Aufbereitungsschritte können diese betonschädigenden Inhaltsstoffe minimiert werden. Dadurch lässt sich die Qualität der Asche soweit verbessern, dass sie gut zur Betonherstellung verwendbar ist.
Controlling the dynamics in the weld pool is a highly demanding challenge in deep-penetration laser beam welding with modern high power laser systems in the multi kilowatt range. An approach to insert braking forces in the melt which is successfully used in large-scaled industrial applications like casting is the so-called Hartmann effect due to externally applied magnetic fields. Therefore, this study deals with its adaptation to a laser beam welding process of much smaller geometric and time scale. In this paper, the contactless mitigation of fluid dynamic processes in the melt by steady magnetic fields was investigated by numerical simulation for partial penetration welding of aluminium. Three-dimensional heat transfer, fluid dynamics including phase transition and electromagnetic field partial differential equations were solved based on temperature-dependent material properties up to evaporation temperature for two different penetration depths of the laser beam. The Marangoni convection in the surface region of the weld pool and the natural convection due to the gravitational forces were identified as main driving forces in the weld pool. Furthermore, the latent heat of solide-liquid phase transition was taken into account and the solidification was modelled by the Carman-Kozeny equation for porous medium morphology. The results show that a characteristic change of the flow pattern in the melt can be achieved by the applied steady magnetic fields depending on the ratio of magnetic induced and viscous drag. Consequently, the weld bead geometry was significantly influenced by the developing Lorentz forces. Welding experiments with a 16 kW disc laser with an applied magnetic flux density of around 500 mT support the numerical results by showing a dissipating effect on the weld pool dynamics.
Grain refinement is an important opportunity to improve mechanical properties of fusion welds and the weldability (cracking sensitivity) of the base metal. In this thesis, grain refinement was achieved for aluminium welds by additions of a grain refiner. For this purpose, inserts consisting of aluminium base metal and small additions of commercial Al Ti5B1 grain refiner were cast, deposited in base metal plates, and fused in a gas tungsten arc (GTA) welding process. As a result, higher grain refiner additions increased the weld’s titanium and boron content resulting in a significant decrease in the weld metal mean grain size up to 86%. This grain size reduction led to a transition from predominantly columnar to equiaxed grain shape (columnar to equiaxed transition CET). The grain refinement was thereby found to be strongly dependent upon the base metal chemical composition. Accordingly, the grain refining efficiency was the highest in commercial pure Al (Alloy 1050A, Al 99.5), followed by Alloy 6082 (Al Si1MgMn) and Alloy 5083 (Al Mg4.5Mn0.7). In this regard, the parameters P and Q were applied to investigate the influence of alloying elements on the supply of constitutional undercooling during solidification and on final grain size. Also, WDS (wavelength dispersive x-ray spectroscopy) and TEM (transmission electron microscopy) analysis found an increasing number of particles rich in Ti and B. These substrates are probably TiB2 particles coated by Al3Ti likely nucleating Al grains during solidification. The variation in torch speed showed that increasing torch speeds support the CET effect leading to many small and equiaxed grains at high torch speed. To give explanations for this observation, the thermal conditions, that are controlled by welding parameters such as torch speed, were determined with temperature measurements via thermocouples. These measurements revealed that solidification parameters like solidification growth rate, cooling rate, (local) thermal gradient and solidification time vary significantly along the solidification front (from weld centreline to weld fusion line). In a further step, the solidification parameters were related to the corresponding grain size and shape. On the basis of this comparison, an analytical approach was used to model the CET. This allowed the prediction of critical values for both solidification growth rate and thermal gradient, at which the CET occurs in aluminium weld metal. The influence of grain refinement on the weld mechanical properties was investigated in tensile tests. Accordingly, the ductility of Alloy 5083 welds was increased through grain refinement whereas no improvement in weld metal strength was observed. Furthermore, tear tests with notched specimens revealed for Alloy 1050A that the resistance against initiation and propagation of cracks in the weld metal can be enhanced through grain refinement. In addition, when welding Alloy 6082, weld metal grain refinement prevented the formation of centreline solidification cracking that was present only in welds with unrefined grain structure. On the basis of the above experiments, the Ti/B contents needed in commercial filler wires or rods to allow optimum weld metal grain refinement were estimated. Accordingly, this work gives specific recommendations to filler material producers through a simple calculation that considers the influence of base alloy and welding process. The results show that the Ti/B contents defined by the corresponding standards for filler alloys are too low to allow weld metal grain refinement.