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 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.
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.
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.
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.