Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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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.
Most of the in-service failures of welded structures are due to fatigue damage occurring in the joints. Damage tolerant approaches based on the principles of Fracture Mechanics have been shown to play a key role in this framework, as the fatigue limit is defined by the non-propagating condition of multiple defects at the weld toe. The fatigue limit assessment can be performed using the cyclic R-curve analysis which consists in comparing the driving force of a crack propagating into a component, which depends on the geometry, material and external loads, with its resistance curve, i.e. the cyclic R-curve. The crack propagation occurs whenever the crack driving force is higher than the resistance to fatigue crack propagation, while the crack is arrested in the opposite case. Consequently, this suggests that the fatigue limit of a component is defined as that stress level at which the crack driving force curve is tangent to the crack resistance curve. In the present work, the cyclic R-curve analysis has been adopted for determining the fatigue limit of stress-relieved transverse non-load-carrying joints made of S355 structural steel and subjected to fatigue axial loadings. Experimental tests have been performed to evaluate the fatigue limit of the joints. The driving force, identified by the applied Stress Intensity Factor (SIF), has been evaluated by means of linear elastic finite element analysis taking advantage of the Peak Stress Method for its rapid estimation. Based on the experimental observations that the crack initiation and early crack growth phases in welded joints occur within the Heat Affected Zone (HAZ) the cyclic R-curve has been experimentally derived for both the base metal and HAZ material.
Offshore wind turbines are an important goal in national energy strategies worldwide. Foundation structures are manufactured from submerged arc welded (SAW) plates with thicknesses up to 200 mm. In that connection, high-strength steels like the S420G2+M are more and more applied offering the possibility for increased stability and load-bearing capacity of the foundations. These offshore steel grades can show a susceptibility for delayed hydrogen assisted cold cracking of the weld joints. For that purpose, a minimum waiting time (MWT) of up to 48 h (dependent on applied standards) is recommended before non-destructive testing is allowed and conducted. But this concept is based on older steel grades that have been used for three or more decades. Nowadays, the metallurgical improvements (clean steels, proper rolling, and heat treatment) of base materials and well as welding consumables must be anticipated. Hence, the MWT concept should be critically discussed as it is assumed to be very conservative. For that reason, the focus of this study was to investigate the diffusion behavior in S420G2+M steel and its multi-layer SAW joint. Electrochemical permeation experiments were carried at room temperature. Boundary conditions were anticipated in terms of using different sample thicknesses. From the experimental data, hydrogen diffusion coefficients and absorbed diffusible hydrogen concentrations had been calculated. It was shown that hydrogen diffusion in the base material is increased compared to the weld metal. In addition, the sample thickness had a significant on the calculated diffusion coefficients. The minimum and maximum diffusion coefficients had been used for numerical modelling of the hydrogen diffusion in the welding joint. It became clear that a MWT must be always regarded together with a critical initial diffusible hydrogen concentration for the evaluation of a possible delayed cracking as diffusion times were mostly > 48 h due to the thick plates.
Turbinenscheiben sind thermisch und mechanisch hochbeanspruchte, sicherheitsrelevante Komponenten in Gasturbinen. Ihre Integrität wird in Bauteiltests unter Überdrehzahlbedingungen nachgewiesen. Kontext des Aufsatzes ist die Erarbeitung einer zusätzlichen Bewertungsebene auf der Grundlage von Versuchen unter monotoner Beanspruchung, die die Beanspruchung im Bauteil realistisch wiedergeben soll. Dazu werden zwei Typen von bruchmechanischen Proben anwendungsnah ausgelegt und aus einer Turbinenscheibe ausgeschnitten: Der erste Typ ist eine biaxiale Probe, die die Beanspruchung und den Dehnungsbehinderungszustand am Diaphragm der Turbinenscheibe abbildet, die zweite eine bruchmechanische Probe, die die einachsige Beanspruchung und den Dehnungsbehinderungszustand am Bore der Turbinenscheibe wiedergibt.
Im Rahmen eines Schadentoleranzansatzkonzepts ist anschließend jeweils ein halbelliptischer Riss an den genannten Stellen der Turbinenscheibe zu betrachten. Mittels numerischer Berechnungen wird ein kritischer Punkt auf der Rissfront des Risses am Diaphragm bestimmt, dort wo die höchste Rissspitzenbelastung (J-Integral) auftritt. Auf der Basis der Rissspitzenbelastung, des Dehnungsbehinderungszustands und des entsprechenden Spannungsverhältnisses an diesem kritischen Punkt wird eine Kreuzprobe mit einem Durchriss konzipiert, die diese Verhältnisse im Bauteil widerspiegelt. Die Versuche werden unter der Temperatur am Diaphragm der Turbinenscheibe durchgeführt. Die J-R-Kurve und die plastische Kollapsgrenze werden bestimmt. Auch die einachsigen Versuche werden unter der Temperatur am Bore der Turbinenscheibe durchgeführt. Die Zugprobe enthält halbelliptische Oberflächenrisse. Ähnlich wie bei der Auslegung der Kreuzproben werden die Rissspitzenbelastung, der Dehnungsbehinderungszustand und das Spannungsverhältnis vergleichbar mit der Turbinenscheibe eingestellt. Die J-R-Kurve und die plastische Kollapsgrenze werden bestimmt.
Mit den Versuchsergebnissen werden die kritischen Lasten für verschiedene Versagensmechanismen (instabiles Risswachstum, plastischer Kollaps) der bruchmechanischen Proben ermittelt, die der kritischen Überdrehzahl der Turbinenscheibe entsprechen.
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-Ausgangswerkstoffes sowie des FeNi36-Ausgangswerkstoffes abgeschlossen. In AP-4 wurden Zerspanversuche an den Modifikationen des FeNi36-Ausgangswerkstoffes sowie des CoCr-Ausgangswerkstoffes gefahren. Ferner wurden die zur Übertragung auf den MSG-Prozess ausgewählten Modifikationen beider Ausgangswerkstoffe vorgestellt.
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 FeNi36-Referenzlegierung mit 0,33 Gew.-% Ti, Zr sowie Hf und der Modifikationen der CoCr-Referenzlegierung mit 1 Gew.-% Ti, Zr sowie Hf vorgestellt. Abschließend werden aus den Ergebnissen Handlungsempfehlungen abgeleitet.
Es werden erzielte Ergebnisse des ultraschallunterstützen Schlichtfräsens einer schwer spanbaren FeNi-Legierung vorgestellt. Dabei wird der Einfluss der Amplitude der Ultraschallunterstützung auf die Zerspankraft sowie die Oberflächenintegrität untersucht, wobei ein besonderer Fokus auf die Passivkraft gelegt wird. Die Ultraschallunterstützung bedingt beim Schlichtfräsen der Alloy 36 im Vergleich zum konventionellen Fräsprozess eine signifikante Reduzierung der resultierenden Zerspankraft sowie der Rauheit. Außerdem werden oberflächennahen Druckeigenspannungen induziert. Eine Angehobene Osziallations-Amplitude beim ultraschallunterstützten Fräsen bewirkt eine Erhöhung des Anteils der Passivkraft an der resultierenden Zerspankraft sowie eine Erhöhung der oberflächennahen Druckeigenspannungen und eine Verringerung von Oberflächendefekten und Rauheitskennwerten.
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. Im vorliegenden Beitrag werden für die beiden untersuchten FeNi und CoCr-Legierungen wesentliche Zusammenhänge zwischen ver¬schiedenen Legierungsmodifikationen, der entstehenden Gefüge¬morphologie und den Zerspanungseigenschaften von mittels PTA additiv gefertigter Proben dargestellt. Hierbei ließen sich Ti, Zr und Hf pulvermetallurgisch zu den jeweiligen Ausgangsschweißzusätzen hinzulegieren.