TY - THES A1 - Zhang, Haoyin T1 - Novel type of biomedical titanium-manganese-niobium alloy fabricated by arc melting and metal injection moulding T1 - Neuartige biomedizinische Titan-Mangan-Niob-Legierung, hergestellt durch Lichtbogenschmelzen und Metallspritzgießen N2 - Titanium and its alloys have been widely used as implant biomaterials due to their suitable combination of mechanical properties and biological compatibilities. At present, about 70-80% of implants are made of metallic biomaterials. Compared with magnesium alloys, stainless steel and cobalt alloys, titanium alloys have a higher specific strength, high corrosion resistance, and excellent biocompatibility. With research, Ti-Nb biomedical titanium alloys have been constantly developed. In the Ti-Nb alloy, the amount of Nb is usually from 16% to 42% (wt.%) which is about 10% to 30% (at.%). As reported, Mn as a trace element to the human body has the potential to be used in bio-materials. Therefore, this study aims at the partial replacement of Nb by Mn to reduce the costs, without deteriorating the mechanical properties. Moreover, it must be ensured good biocompatibility and corrosion resistance. This is the first investigated on Ti-Mn-Nb ternary alloys. In this work, According to β single-phase field, Ti-xMn-yNb (x=4, 10, 16; y=2, 8, 14, at.%) alloys (arc-melted) have been fabricated. The Ti-Mn-Nb alloys are investigated by optical microscopy (OM), X-ray diffraction (XRD), hardness test, transmission electron microscopy (TEM) and mechanical testing. By screening study on alloy, Ti-10Mn-14Nb (at.%) (Ti-10Mn-23.7Nb (wt.%)) is the optimal alloy with tensile strength (760 MPa) and elongation (10.5%). After that, the Metal Injection Moulding (MIM) is used to prepare Ti-Mn-Nb alloys. The MIM method can greatly reduce the processing cost. MIM Ti-xMn-yNb (x=3, 4, 6; y=1, 2, 4, at.%), Ti-4Mn-14Nb and Ti-10Mn-14Nb alloys are fabricated. Among them, a very good combination of mechanical properties is achieved for MIM processed Ti-4Mn-2Nb (at.%) (Ti-4.5Mn-3.8Nb (wt.%)), namely a YS of 642 MPa, UTS of 725 MPa and high ductility of 16% elongation to fracture. With further investigations, when the yttrium content is 0.1% (at.%), the tensile strength of Ti-4Mn-2Nb-0.1Y (at.%) (Ti-4.5Mn-3.8Nb-0.18Y (wt.%)) is increased to 785 MPa while elongation of 12.9%. These mechanical properties already exceed Ti-6Al-4V (ASTM F2885 Grade 5 undensified). In the in vitro evaluation, in comparison with MIM pure titanium, human osteoblasts MG63 adhered as well and proliferated on the surface of MIM Ti-Mn-Nb specimens. In the supernatant after cell culture, the Ti-Mn-Nb alloy shows similar osmolality and pH value results as MIM pure titanium. By LDH assay and DNA isolation, the MIM Ti-Mn-Nb alloys are not found to be toxic to MG63 cells. In the study of corrosion resistance in Hanks’ balanced salt solution (HBSS) at 37 °C, the corrosion current densities as well as the impedance of MIM Ti-Mn-Nb alloys are all better than those of MIM pure titanium and even better than those of MIM Ti-6Al-4V alloy. N2 - Titan und seine Legierungen werden aufgrund ihrer geeigneten Kombination von mechanischen Eigenschaften und biologischen Verträglichkeiten in großem Umfang als Implantat-Biomaterialien verwendet. Derzeit bestehen ca. 70-80% der Implantate aus metallischen Biomaterialien. Im Laufe der Forschung wurden biomedizinische Ti-Nb-Legierungen laufend weiterentwickelt. Bei Ti-Nb-Legierungen beträgt der Anteil an Niob üblicherweise 16 bis 42 wt.%. Wie berichtet, ist Mangan ein wichtiges Spurenelement für den menschlichen Körper und eignet sich daher zu Verwendung in Biomaterialien. Darüber hinaus sind die Kosten für Mangan viel niedriger als für Niob. Daher zielt diese Studie auf den teilweisen Ersatz von Niob durch Mangan ab, um die Kosten zu senken, ohne die mechanischen Eigenschaften zu verschlechtern. Außerdem muss eine gute Biokompatibilität und Korrosionsbeständigkeit gewährleistet sein. Dies ist die erste Untersuchung an ternären Ti-Mn-Nb-Legierungen. In dieser Arbeit werden die verschiedenen Zusammensetzungen durch Lichtbogenschmelzen hergestellt. Gemäß β Einphasenfeld wurden Ti-xMn-yNb (x = 4, 10, 16; y = 2, 8, 14 at.%)-Legierungen durch Erschmelzen im Lichtbogenofen. Die Ti-Mn-Nb-Legierungen werden durch OM, XRD, Härteprüfung, TEM und mechanische Prüfung (Zugversuch) untersucht. Durch Screening-Untersuchungen an einer Legierung wurde Ti-10Mn-14Nb (at.%)) als optimale Legierung mit einer Zugfestigkeit von 760 MPa und einer Bruchdehnung von 10.5% ausgewählt. Anschließend werden im Metallpulverspritzguss (Metal Injection Molding, MIM) Proben aus Ti-Mn-Nb-Legierungen hergestellt. Da MIM ein endkonturnahes Fertigungsverfahren ist, kann das MIM-Verfahren die Verarbeitungs¬kosten erheblich reduzieren. MIM-Ti-xMn-yNb Legierungen werden hergestellt. Die MIM-verarbeitete Legierung Ti 4Mn-2Nb (at.%) erreicht eine sehr gute Kombination der mechanischen Eigenschaften, nämlich eine Dehngrenze von 642 MPa, eine Zugfestigkeit von 725 MPa und eine Bruchdehnung von 16%. Durch Zugabe von 0,1% (at.%) Yttrium entsteht die Legierung Ti-4Mn-2Nb-0,1Y (at.%). Hierbei wird die Zugfestigkeit auf 785 MPa erhöht, während eine Bruchdehnung von 12,9% beibehalten wird. Diese mechanischen Eigenschaften übersteigen bereits die Mindestanforderungen für Ti-6Al-4V nach ASTM F2885 (Grade 5 unverdichtet). In der In-vitro-Evaluation hafteten im Vergleich zu MIM-Reintitan auch humane Osteoblasten MG63 an und vermehrten sich auf der Oberfläche von MIM-Ti-Mn-Nb-Proben. Im Überstand nach der Zellkultur zeigt die Ti-Mn-Nb-Legierung ähnliche Osmolalitäts- und pH-Werte wie MIM-Reintitan. Durch LDH-Tests und DNA-Isolierung wurde festgestellt, dass die MIM-Ti-Mn-Nb-Legierungen für MG63-Zellen nicht toxisch sind. Bei der Untersuchung der Korrosionsbeständigkeit in Salzlösung nach Hanks bei 37 °C sind sowohl die Selbstkorrosionsstromdichte als auch die Impedanz von MIM-Ti-Mn-Nb-Legierungen besser als die von MIM-Reintitan und sogar besser als die der MIM Ti-6Al-4V-Legierung. KW - Titanium KW - Metal injection moulding KW - Niobium KW - Mangane KW - Biomedical KW - Titan KW - Mangan KW - Niob KW - Metallspritzguss KW - Biomedizin KW - Biomedizin KW - Lichtbogen KW - Metallspritzguss KW - Nioblegierung KW - Schmelzen KW - Manganlegierung KW - Titanlegierung Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-51280 ER - TY - THES A1 - Xu, Peng T1 - Enhancement of tensile fracture resistance of metal-injection-molded β titanium alloys biomaterials via diverse sintering pathways T1 - Verbesserung der Zugbruchfestigkeit von in Metallspritzguss geformten Biomaterialien aus β-Titanlegierungen über verschiedene Sinterwege N2 - The powder metallurgically produced beta titanium alloys (traditional PM beta Ti-alloys) have long been plagued by high impurities contamination. For binder-based powder technologies, they originate from the sintering atmosphere, the debinding processes and the starting powders. In general, a normal carbon residual of binder-based powder technologies is capable of incurring the formation of aligned TiCx particles along beta grain boundaries (GB-TiCx) in most classes of beta Ti-alloys. Whereas, oxygen atoms are likely to deteriorate the ductility of PM Ti alloys by promoting the formation of diverse brittle phases and/or altering the deformation modes. Such materials exhibiting rather low toughness to strain ratios are not an option for critical structural applications, where catastrophic damage is completely unacceptable. In this study, biotolerant metastable beta Ti-20Nb-10Zr alloys, containing a certain amount of carbon, oxygen residuals originated from materials processing and consequently 0.5 vol.% in situ synthesized TiCx particles, were fabricated via metal-injection-molding (MIM). With varying yttrium (Y) addition, the effects of Y-induced oxygen scavenging, beta-grain refinement and porosity increment on tensile properties were systematically investigated. To scavenge oxygen from the beta Ti-matrix, the Y elemental powder with a maximum particle size of 15 µm (e.g. <12 µm or 1200 mesh) is more appropriate than the commonly used <45 µm (i.e. 325 mesh) sized powder or larger ones and without significant detrimental effect on the as-sintered density of beta Ti-alloys. A novel toughening strategy was proposed by regulating TiCx precipitation evolution and resultantly adjusting particles distribution pattern. Synchrotron radiation identified that two separate TiCx precipitation-type reactions occurred at the beta phase region and the alpha/beta region. In a narrow temperature range between these two precipitation reactions, dissolution of carbides was observed just below alpha/beta transus. Y addition can postpone TiCx precipitation. On the basis of those mechanisms, adjusting TiCx particle distribution was proposed for the first time, specifically a combination of yttrium addition (Y) and carbide spheroidization reprecipitation annealing (CSRA). As a result, aligned GB-TiCx particles were adjusted to dispersed intragranular TiCx particles. An apparent toughening effect (≈ 113% increment reaching elongation = 8.3%) was achieved after TiCx redistribution, while non-optimally aligned TiCx pattern seriously limited tensile toughness of materials. Here, the mechanisms of TiCx redistribution behavior and its toughening are elucidated systematically. N2 - Die pulvermetallurgisch hergestellten beta-Legierungen (d. h. Titanlegierungen der beta-Klasse) leiden seit Langem unter hohen Verunreinigungsgraden. Für Pulvertechnologien auf Bindemittelbasis stammen diese Verunreinigungen aus der Sinteratmosphäre, dem Entbinderungsprozess und den Ausgangspulvern. Im Allgemeinen kann ein normalerweise verbleibender Kohlenstoffrest von Pulvertechnologien auf Bindemittelbasis in den meisten Klassen von beta-Legierungen zur Bildung ausgerichteter TiCx-Partikel entlang früherer beta-Korngrenzen (GB-TiCx) führen, während Sauerstoffatome wahrscheinlich die Duktilität von PM-Ti-Legierungen verschlechtern, indem sie die Bildung verschiedener spröder Phasen fördern und / oder die Verformungsmodi verändern. Solche Materialien mit relativ niedrigen Zähigkeits zu Dehnungs Verhältnissen sind keine Option für kritische strukturelle Anwendungen, bei denen katastrophale Schäden völlig inakzeptabel sind. In dieser Studie wurden biotolerante metastabile beta-Ti-20Nb-10Zr-Legierungen, die eine bestimmte Menge Kohlenstoff, Sauerstoffreste und folglich 0,5 Vol.% in situ synthetisierte TiCx-Partikel als zusätzliche Phase enthielten, mittels Metallspritzguss (MIM) hergestellt. Bei variierender Yttrium (Y)-Zugabe wurden die Auswirkungen der Y-induzierten Sauerstoffbindung, der Verfeinerung der Mikrostruktur und der Erhöhung der Porosität auf die Zugeigenschaften systematisch untersucht. Um Sauerstoff aus der beta-Ti-Matrix abzufangen, ist das Y-Elementpulver mit einer maximalen Partikelgröße von weniger als 15 µm (z. B. 12 µm oder 1200 mesh) geeigneter als das üblicherweise verwendete Pulver mit einer Größe von 45 µm (325 mesh) oder größer und ohne signifikante nachteilige Auswirkung auf die Sinterdichte von beta titanium-Legierungen. Eine neuartige Härtungsstrategie wurde vorgeschlagen, indem die Entwicklung der TiCx-Ausscheidungen reguliert und das Partikelverteilungsmuster angepasst wurden. Mit Synchrotronstrahlung wurde festgestellt, dass zwei getrennte TiCx-Ausscheidungsreaktionen im beta-Phasenbereich und im alpha/beta-Bereich auftraten. In einem engen Temperaturbereich zwischen diesen beiden Ausscheidungsreaktionen wurde eine Auflösung von Carbiden knapp unterhalb des alpha/beta-Transus beobachtet. Die Zugabe von Y kann die TiCx-Ausscheidung verzögern. Auf der Grundlage dieser Mechanismen wurde erstmals eine Anpassung der TiCx-Partikelverteilung vorgeschlagen, insbesondere eine Kombination aus Yttrium-addition (Y) und Carbid-Sphäroidisierungs-Umfällungsglühen (CSRA). Als Ergebnis wurden ausgerichtete GB-TiCx-Partikel in homogen verteilte intragranulare TiCx-Partikel umgewandelt. Eine offensichtliche Verbesserung der Duktilität (~ 113% Zunahme entsprechend elongation = 8,3%) wurde nach TiCx-Umverteilung erreicht, während eine nicht optimal verteilte TiCx-Population die Zugzähigkeit von Materialien stark einschränkte. Hier werden die Mechanismen der TiCx-Umverteilung und ihre Auswirkungen auf die Duktilität und Zähigkeit systematisch aufgeklärt. KW - Metal-Injection-Molding KW - Titanium KW - Carbide KW - Fracture KW - Oxygen KW - Metallspritzguss KW - Titan KW - Karbid KW - Fraktur KW - Sauerstoff KW - Biomaterial KW - Metallspritzguss KW - Titanlegierung KW - Carbide KW - Sauerstoff KW - Bruchverhalten Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-55126 ER - TY - THES A1 - Santhanakrishnan Balakrishnan, Venkateswaran T1 - Near-net-shape semi-finished products for the local reinforcement and repair of fibre reinforced plastics T1 - Endkonturnahe Halbzeuge zur lokalen Verstärkung und Reparatur faserverstärkter Kunststoffe N2 - The European Parliament and Council has defined a mandatory specific emission target of 95 g CO2/km by 2020 for passenger cars. Vehicle weight is a significant factor contributing to fuel consumption. Reducing the weight of the vehicle can be one promising option for decreasing CO2 emissions, which becomes a top priority for the automotive industry. In this research, two approaches were used to address the need. One involved developing structural parts using fibre reinforced plastics (FRP), and the other involved designing and developing FRP–metal hybrid laminates, which were constructed by reinforcing FRP locally to the metal surface. Existing joining techniques such as riveting, bolting, adhesive joining, ultrasonic welding, and flow drill joining techniques require additional processing steps to perform the joining, which could considerably increase processing time, cost, and energy expenditure. The present work describes a method to join FRP and metals using the adhesion strength of the investigated polymers. The developed FRP–metal hybrid laminates combine the advantages of metal and FRP together. Steel hot-stamping is known to yield very high strength. Fibre reinforced plastic–metal hybrid laminates were developed using hot stamped steels to transfer their superior mechanical properties to the final structure. To utilize the complete lightweight potential of thermoset and thermoplastic polymers, FRPs and FRP–metal hybrid laminates were developed using both the polymers. Along with this increased demand for FRP structures, there is growing interest in a repair technique in the automotive industry. The second objective of this thesis consists of designing and developing a new repair technique, which regains the strength and stiffness properties of the damaged part. The existing scarf repair technique is not suitable for thin laminates, which have limited access to the damaged area. Perforation damages were introduced into the FRP structures using a low-velocity impact load. A modified injection repair technique is used to repair these damaged FRP structures. Non-destructive techniques were utilized to understand the damage and the effectiveness of the repair. N2 - Das Europäische Parlament und der Europäische Rat haben für 2020 ein verbindliches Emissionsziel von 95 g CO2/km für Personenkraftwagen festgelegt. Das Fahrzeuggewicht hat einen signifikanten Anteil am Kraftstoffverbrauch. Die Reduzierung des Fahrzeuggewichts ist daher eine effektive Methode zur Verringerung der CO2-Emission und stellt ein Hauptziel der Automobilindustrie dar. Dazu wurden zwei Ansätze verfolgt. Der erste betraf die Entwicklung von Strukturbauteilen auf Basis faserverstärkter Kunststoffe (FKV) und der zweite die Auslegung und Entwicklung von FKV-Metall-Hybrid-Laminaten. Letztere wurden durch die lokale Verstärkung von Metallbauteilen mit gefügten FKV-Komponenten realisiert. Die bekannten Fügeverfahren wie Nieten, Verschrauben, Kleben, Ultraschallschweißen und Fließlochschrauben machen zusätzliche Arbeitsschritte notwendig, welche die Herstellungszeit, die Kosten sowie den Energiebedarf erheblich vergrößern können. Die vorliegende Arbeit beschreibt eine Methode zum Fügen von FKV und Metall mittels der Adhäsionsfestigkeit des untersuchten Polymers. Die entwickelten FKV-Metall-Hybrid-Laminate kombinieren die Vorteile der FKVs und von Metall. Pressgehärteter Stahl weist sehr hohe Festigkeiten auf. Die FKV-Metall-Hybrid-Laminate wurden unter Verwendung pressgehärteter Stähle entwickelt, um deren herausragenden Eigenschaften auf die Struktur zu übertragen. Zur Erschließung des gesamten Leichtbaupotentials von duroplastischen und thermoplastischen Polymeren werden FKVs und FKV-Metall-Hybrid-Laminate mit beiden Kunststoffen hergestellt. Aus der gestiegenen Nachfrage nach FKV-Strukturen resultiert ein wachsendes Interesse der Automobilindustrie an Reparaturmethoden. Das zweite Ziel dieser Arbeit besteht in der Auslegung und Entwicklung einer neuen Reparaturmethode, welche die Festigkeit und Steifigkeit des beschädigten Bauteils wiederherstellt. Das bekannt Schäftreparaturverfahren ist für dünne Laminate nicht geeignet, bei denen nur ein begrenzter Zugang zum beschädigten Bereich besteht. Mit einer Aufpralllast mit niedriger Geschwindigkeit wurden Hohlraumschäden in die FKV-Strukturen eingebracht. Es wird eine modifizierte Injektionsmethode zur Reparatur der beschädigten FKV-Strukturen verwendet. Mittels zerstörungsfreier Verfahren werden der Schaden und die Effektivität der Reparatur bewertet. KW - Fibre metal laminates (FML) KW - Lightweight construction KW - Composite/metal hybrids KW - Joining technology KW - Injection repair KW - Faser-Metall-Laminate (FML) KW - Leichtbaukonstruktion KW - Komposite/Metall-Hybride KW - Fügetechnologie KW - Injektionsreparatur KW - Faserverstärkter Kunststoff KW - Metallischer Werkstoff KW - Schichtverbundwerkstoff KW - Laminat KW - Fügen Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-52667 ER - TY - THES A1 - Roszak, Robert T1 - Fluid structure interaction analysis considering the structural behavior T1 - Analyse der Fluidstrukturinteraktion unter Berücksichtigung des Strukturverhaltens N2 - The development of computer technologies allows using numerical simulations in the early stages of aircraft design more and more often. The role of both wind tunnels and initial test flights used to validate of solutions seems to be diminishing. Big systems for three-dimensional simulations of Fluid-Structure Interactions (FSI) constitute highly specialized and costly software. Most of the codes are based on many simplifications. One of them is the assumption of linearity of the structural model being in contradiction with real-life situations. The postdoctoral dissertation presents the results of simulations for complex, multi-scale objects and non-linear structure models and extended structure testing in relation to damage in macroscale analysis. What is crucial for carrying out the assumed analyses is to extend a numerical tool comprising a flow and a structural program and a space grid deformation model for a system allowing to take into consideration the non-linearity of the structure. The point of reference for testing the suggested approaches are the existing solutions of the aeroelastic linear problems. Results of the recent research might be applied for the construction of increasingly common unmanned aerial vehicle (UAV). Modern structure is a key element that affects the basic parameters as mass or range of these vehicles. Until now the research and development of the aeroelastic calculation algorithm for commonly used materials in the framework of linear geometry and linear-elastic material behavior was used. The current developments of materials for light-weight design common use of 3D printing technology causes the increasingly widespread use of new alternative materials in the aviation industry. This is particularly true for the design and construction of UAV, where the basic requirements are the lightness of the structure and the maximum range. Unfortunately, the fulfillment of the above criteria means that the materials used are often loaded not only in a elastic range but also more often above this limit. In case of analyzing aeroelastic phenomena for a loaded structure we should take a closer look at the behavior of the material outside the elastic range in which the damage occurs. The process of destroying in the face of such dangerous phenomena as flutter in aircraft constructions requires a deeper analysis of the mechanics of materials, in particular for new materials and their manufacturing techniques. As part of joint experiments and numerical simulations, detailed research was carried out to describe the behavior of printed materials, which will be increasingly used in the design of aircraft structures. Extending the postdoctoral dissertation with the research carried out at BTU will allow further development of the existing FSI algorithm, taking into account the structural behavior more accurately and the possibility of predicting damage processes. N2 - Die Entwicklung von Computertechnologien ermöglicht den immer häufigeren Einsatz numerischer Simulationen in den frühen Phasen des Flugzeugentwurfs. Sowohl Windkanäle als auch erste Testflüge zur Validierung von Lösungen spielen offenbar eine immer geringere Rolle. Die meisten Codes basieren auf vielen Vereinfachungen. Eine davon ist die Annahme, dass die Linearität des Strukturmodells im Widerspruch zu realen Situationen steht. Die Habilitationsschrift präsentiert die Ergebnisse von Simulationen für komplexe, mehrskalige Objekte und nichtlineare Strukturmodelle sowie erweiterte Strukturtests in Bezug auf Schäden in der Makroskalenanalyse. Entscheidend für die Durchführung der angenommenen Analysen ist die Erweiterung eines numerischen Werkzeugs, das ein Strömungs- und ein Strukturprogramm sowie ein räumliches Gitterverformungsmodell umfasst, für ein System, das die Berücksichtigung der Nichtlinearität der Struktur ermöglicht. Bezugspunkt für die Prüfung der vorgeschlagenen Ansätze sind die vorhandenen Lösungen der aeroelastischen Linearprobleme. Ergebnisse der jüngsten Forschung könnten für den Bau zunehmend verbreiteter unbemannter Luftfahrzeuge (UAV) genutzt werden. Bisher wurde die Forschung und Entwicklung des aeroelastischen Berechnungsalgorithmus für häufig verwendete Materialien im Rahmen der linearen Geometrie und des linear-elastischen Materialverhaltens genutzt. Die aktuellen Materialentwicklungen für den Leichtbau sowie der Einsatz der 3D-Drucktechnologie führen dazu, dass in der Luftfahrtindustrie immer häufiger neue Alternativmaterialien zum Einsatz kommen. Dies gilt insbesondere für die Konstruktion und den Bau von UAVs, bei denen die Grundanforderungen die Leichtigkeit der Struktur und die maximale Reichweite sind. Leider führt die Erfüllung der oben genannten Kriterien dazu, dass die verwendeten Materialien häufig nicht nur im elastischen Bereich, sondern häufiger auch oberhalb dieser Grenze belastet werden. Bei der Analyse aeroelastischer Phänomene für eine belastete Struktur sollten wir das Verhalten des Materials außerhalb des elastischen Bereichs, in dem der Schaden auftritt, genauer betrachten. Der Prozess der Zerstörung angesichts so gefährlicher Phänomene wie Flattern im Flugzeugbau erfordert eine tiefergehende Analyse der Materialmechanik, insbesondere für neue Materialien und deren Herstellungstechniken. Im Rahmen gemeinsamer Experimente und numerischer Simulationen wurden detaillierte Untersuchungen zur Beschreibung des Verhaltens von gedruckten Materialien durchgeführt, die zunehmend bei der Gestaltung von Flugzeugstrukturen zum Einsatz kommen werden. Die Erweiterung der Habilitationsschrift um die an der BTU durchgeführten Forschungsarbeiten ermöglicht eine Weiterentwicklung des bestehenden FSI-Algorithmus unter genauerer Berücksichtigung des Strukturverhaltens und der Möglichkeit, Schadensprozesse vorherzusagen. KW - FSI KW - DMD KW - Material nonlinearity KW - Aeroelasticity KW - Materialnichtlinearität KW - Aeroelastizität KW - Dynamic mode decomposition KW - Fluid–structure interaction KW - Flugzeugbau KW - Aeroelastizität KW - Nichtlineares mathematisches Modell Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-66629 ER - TY - THES A1 - Naveed, Muhammad T1 - Study of crystallography and erosion behavior of single and multilayer coatings used for applications in aero engines T1 - Untersuchung der kristallografischen Eigenschaften und des Erosionsverhaltens von einzel- und mehrfachbeschichteten Turbinen-Bauteilen N2 - Erosion of aero-engine components has been identified as a serious problem since the World War II. During this time various attempts have been made to study this phenomenon in order to improve the life and performance of the used components. Flights in particulate environments led to the drastic degradation of the performance due to blunting of blade edges, reduction of chord and increase of tip clearance. Measures like coating of blades and high efficiency filters have been introduced in order to protect the aero-engine components from wear in dusty environments. In the present work an effort has been made in order to deposit various single and multilayer coatings for the erosion protection of Inconel718 alloy used as the substrate material. Inconel718 finds its applications in high pressure compressors within gas turbines. To deposit the various coatings onto the substrate material the Direct Current (DC) Method has been used as a Physical Vaporization Deposition technique. The architecture of the investigated coatings is on one side a single layer TiN coating and on the other side multilayer Cr/CrN, Ti/CrN and TiN/CrN coatings as well. The experimental results show that bilayer Cr/CrN multilayer coatings possess a variation in mechanical properties with the change in bilayer period. Additional adhesion tests show various spallation mechanisms which are related to the coating architecture. Process parameters used during the coating process had an influence on the coating growth. The growth of coatings as in form of a V-structure results in low adhesion between the coating and the substrate or the previous coating layer. Another change in the coating structure is obtained by changing metallic or ceramic layer between CrN layers. The presence of coating defects, like droplets, on the coating surface acts as voids within the coating structure decreasing the structural integrity of the coatings. The conduction of a phase analysis of Cr/CrN multilayer developed the presence of a mixture of fcc-CrN, hcp-Cr2N and bcc-Cr phases. A variation in the phase formation is found to be dependent on the bilayer period of the coatings. A complex XPS analysis and a related thermodynamic study indicate that the variation in the binding energies and thermodynamic stability of the CrN and Cr2N phases are responsible for their stable formation during the coating deposition. TiN single layer coatings showed the formation of a single phase fcc-TiN. The presence of Cr2N, Cr2Ti, TixNy phases is found during the deposition of Ti/CrN and TiN/CrN coatings. An additional Scherrer analysis to evaluate the determination of crystal size pointed out the presence of nano-crystals of various phases within the coatings. Stress analysis of the tested Cr/CrN coatings showed compressive stresses within the coatings, respectively. In this case only slight differences in stress values are observed for Cr1/CrN3 and Cr0.25/CrN3.75 coatings. Erosion tests of Cr/CrN coatings showed erosion protection at shallow incidence angles (30°) as compared to uncoated Inconel718 alloy. In contrast, no erosion protection is obtained during the erosion at oblique angles. Crack deflection at the metal-ceramic interface, shearing of columns, internal distortion of CrN layer, radial and cone cracking, step shear, inter- and intra-columnar crack propagation are reported as some of the processes occurring during the erosion process. The presence of micro droplets is reported to be one of the major causes of low adhesion between the coating and substrate or structural weakness of coating, which provokes a rapid removal of the coating. Within the last section of the present thesis the correlation between various models (proposed through contact mechanics) and erosion rate is studied. It is found that for the single layer and multilayer coatings a low correlation between H3/E2 and erosion rate exists. A study of the ratio between elastic modulus of coating to elastic modulus of substrate (Ef/Es) in order to describe the erosion mechanism in a coating show non-conformance of the results as proposed by contact mechanic theories. A difference in the elastic modulus of consecutive coating layers (E1-E2) showed that no correlation can be found for the coatings during erosion at 30° and 90°. N2 - Die Erosion an Komponenten von Triebwerken ist seit dem 2. Weltkrieg als ernsthaftes Problem bekannt. Seitdem ist man bemüht, dieses Phänomen intensiv zu untersuchen, um die Lebensdauer und Funktionalität der Komponenten zu verbessern. Abrundungen an den Kanten der Turbinenschaufeln, eine Verschlechterung in der Abstimmung und die Vergrößerung der Abstände der Schaufel-Spitzen zueinander führen bei Flügen unter sandigen Umgebungen zu einer deutlichen Abnahme der Leistungsfähigkeit. Um die Turbinenbauteile vor Verschleiß bei Flügen in staubbelasteten Umgebungen zu schützen, wurden Untersuchungen mit unterschiedlichen Beschichtungen der Turbinenschaufeln durchgeführt sowie hocheffiziente Filtersysteme eingeführt, installiert und eingebaut. Der Fokus der vorliegenden Arbeit liegt auf der ein- und mehrlagigen Beschichtung einer Inconel718-Legierungen zum Schutz vor Korrosion. Inconel718-Legierungen finden vor allem ihr Anwendungsgebiet im Hochdruckverdichter. Zur physischen Aufbringung der Beschichtung aus der Dampfphase wurde als Methode die Gleichstrom-Technik angewandt. Einzelschichten mit TiN und mehrlagige Cr/CrN-, Ti/CrN- und TiN/CrN-Beschichtungen wurden so auf das Substrat aufgebracht. Im Ergebnis konnte gezeigt werden, dass Cr/CrN-Mehrfach-Beschichtungen, bestehend aus 2 Lagen, Unterschiede in ihren mechanischen Eigenschaften aufweisen, je nachdem welche Schicht zuerst aufgebracht wurde. Untersuchungen zur Adhäsion zeigten verschiedene Ablösungsmechanismen, die mit dem strukturellen Aufbau der Beschichtung zusammenhängen. Die während des Beschichtungsvorgangs gewählten Prozessparameter haben einen direkten Einfluss auf die Geschwindigkeit, mit der die Beschichtung aufgebracht wird. Veränderte man den Schichtaufbau, indem metallische oder keramische Schichten zwischen den CrN-Schichten aufgebracht wurden, veränderte dies die Eigenschaften der gesamten Beschichtungsstruktur. Die Anwesenheit von Schichtdefekten auf der Oberfläche einer Schicht fungierte als Störstelle, die die strukturelle Integrität der Beschichtung reduzierte. Die Phasenanalyse der Cr/CrN Mehrfachschichten zeigte eine bereits bekannte Mischung von fcc-CrN-, hcp-Cr2N- und bcc-Cr-Phasen. XPS-Analyse und thermodynamische Untersuchungen ergaben, dass Veränderungen der Bindungsenergien und der thermischen Stabilität von CrN und Cr2N verantwortlich sind für einen stabilen Aufbau während des Beschichtungsprozesses. Bei der TiN-Schicht befindet sich im Aufbau nur eine fcc-TiN-Phase. Das Vorhandensein von Cr2N-, Cr2Ti-, TixNy-Phasen konnte bei der Aufbringung der Ti/CrN- und TiN/CrN-Beschichtungen nachgewiesen werden. Eine Analyse nach Scherrer zur Bestimmung der Kristallgröße wies die Existenz von Nano-Kristallen unterschiedlicher Phasen in den Beschichtungen nach. Belastungsuntersuchungen an den getesteten Cr/CrN-Beschichtungen zeigten Druckspannungen innerhalb der Beschichtung. Zwischen den Cr1/CrN3- und Cr0.25/CrN3.75-Beschichtungen konnten keine großen Unterschiede im Stressverhalten festgestellt werden. Im Vergleich zu unbeschichteten Inconel718-Legierungen zeigten die Cr/CrN-beschichteten Proben beim Erosionsverhalten eine Verbesserung des Erosionsschutzes unter flachen Auftreffwinkeln (30°). Bei anderen steileren Auftreffwinkeln konnte keine Schutzwirkung festgestellt werden. Ablenkung durch Sprünge an der metall-keramischen Trennschicht, Störung/Deformation in der internen CrN-Schichtstruktur, sind einige der Verschleißprozesse, die während des Erosionsprozesses beobachtet wurden. Das Vorhandensein von Schichtdefekten (Mikrotröpfchen) wird als eine der Hauptursachen für eine geringe Haftung zwischen Beschichtung und Substrat angesehen, bzw. für die strukturelle Schwächung der Beschichtung verantwortlich gemacht und führt dazu, dass die aufgebrachte Beschichtung schneller abgetragen wird. Im letzten Abschnitt der Arbeit werden die Ergebnisse zum Erosionsverhalten unter Verwendung verschiedener Modelle, die im Bereich der Kontaktmechanik propagiert werden, diskutiert. Für die Ein-, und Mehrschicht-Beschichtungen konnte eine schwache Korrelation zwischen H3/E2 und der Erosionsrate festgestellt werden. Wie zu erwarten war, zeigte die Untersuchung des Verhältnisses des Elastizitäts-Moduls der Beschichtung zu dem des Substrats (Ef/Es) keine Übereinstimmung mit den Modellen aus der Kontaktmechanik. Die Untersuchung der Differenz der Elastizitäts-Module der aufeinander folgenden Schichten in der Beschichtung (E1-E2) zeigte keine Korrelation zu dem bei den Beschichtungen gefundenen Erosionsverhalten bei 30° und 90°. KW - Multilayer Coatings KW - Solid Particle Erosion KW - Multilagenschichten KW - Erosionsschutzschichten Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-35620 ER - TY - THES A1 - Berding, Jens T1 - Entwicklung eines wandlungsfähigen Pressensystems mit Servospindelantrieb T1 - Development of a versatile press system with servo spindle drives N2 - Unternehmen der Umformtechnik sehen sich vermehrt steigenden Anforderungen bei schwankenden Einflussfaktoren ausgesetzt. Für eine wirtschaftliche Fertigung sind Pressen erforderlich, die sich den steigenden Anforderungen und schwankenden Einflussfaktoren anpassen und mit möglichst hoher Produktivität, Qualität und Wirtschaftlichkeit eine breite Produktpalette fertigen können. Unter diesen Voraussetzungen bietet sich der Einsatz von kraftgebundenen Servospindelpressen an. Diese ermöglichen frei programmierbare Stößelbewegungsprofile und stellen die Nennkraft über den gesamten Stößelhub zur Verfügung. Allerdings erfüllen die bekannten Servospindelpressen die Forderung nach wandlungsfähigen Pressen, welche an unterschiedliche Anforderungen angepasst werden, besonders die Änderung der Abfolge von Teilprozessen und der Austausch von Maschinenkomponenten, nur sehr eingeschränkt. Aus diesem Grund wird ein neuartiges wandelbares Pressensystem entwickelt. Dieses soll dem Anwender weitreichende Vorteile bringen: Die Nennkraft des Pressensystems wird auf mehrere, in Durchlaufrichtung der Teile frei positionierbare und miteinander koppelbare Pressenmodule mit eigenen Pressenantrieben und -stößeln aufgeteilt. Durch Servospindelantriebe werden prozessangepasste Stößelbewegungsprofile für einzelne Teilprozesse ermöglicht. Dies erlaubt eine wandelbare Anordnung von Teilprozessen, wodurch die Prozesskette skaliert werden kann. Unterstützt wird die Wandlungsfähigkeit des Pressensystems, indem es durch den Anwender erweitert werden kann und sich weitere Prozesse wie Schweißen, Löten oder Kleben integrieren lassen. Ziel der Arbeit ist die Entwicklung des beschriebenen wandlungsfähigen Pressensystems mit Servospindelantrieb für die Komplettbearbeitung von kleinen Bauteilen. Grundlage bildet die Untersuchung des Standes der Pressentechnik und der Methoden der Produktentwicklung. Der Entwicklungsprozess wird in die Phasen Anforderungsfindung, Konzeptfindung und Entwurfsfindung gegliedert. Zur Überprüfung wird aus dem Entwurf ein Prototyp ausgearbeitet. Im Anschluss werden Maßnahmen zur Produktstrukturierung durchgeführt, aus denen die Weiterentwicklung des Entwurfes zu einer Typengruppe und einem Baukastensystem resultiert. Zum Abschluss wird das Pressensystem bewertet, sein Einsatzspektrum beschrieben und das Pressensystem innerhalb bestehender Pressen eingeordnet. N2 - Companies that supply forming technology are confronted with increasing demands and varying influences. Nowadays, presses which can be adapted to more stringent requirements and changing influencing factors are a prerequisite for an economical production. These presses have to manufacture a wide range of products with high productivity and quality while considering the costs. In the light of the above, the use of force-linked servo-presses with ball screw is recommended. These servo screw presses permit a freely programmable ram's movement and constant press force during the ram's stroke. Even so, the known servo screw presses only satisfy insufficiently the demand for changeable presses, which can be adapted to various requirements. Examples of changeability in forming technology are the modification of the sequence of subprocesses or the replacement of machine components. For that reason, a new changeable press system is to be developed. This is intended to bring the following advantages for the user: The nominal force is allocated to several press modules with separate press drives and rams, which can be positioned freely and combined to other press modules. The servo-drive with ball screw enables a process-adapted ram's movement for separated subprocesses. By this means, the sequence of subprocesses is changeable and the process chain can be scaled. The changeability is contributed by the possibility to extend the press system as well as to integrate further processes such as welding, soldering and adhesive bonding. The objective of this examination is to develop a changeable press system with servo-drive and ball screw for all-in-one processing of small components. Basis therefor is an investigation into the state of press technology and product development methods. The product development process is divided into three phases: the requirements analysis, the conceptual design and the embodiment design. In order to verify the embodiment design, a detail design for a prototype is being compiled. Subsequently, product structuring methods are implemented. These further development results in a type group and a modular system. Finally, the changeable press system is valued, the range of applications is explained and a classification within existing presses will be given. KW - Umformtechnik KW - Pressensystem KW - Wandlungsfähigkeit KW - Servopresse KW - Spindelpresse KW - Forming technology KW - Press system KW - Adaptability KW - Servo press KW - Spindle press KW - Presse KW - Spindel KW - Servomotor Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-41227 SN - 978-3-86624-633-1 PB - Winter-Industries GmbH CY - Berlin ER - TY - THES A1 - Abang, Roger Atini T1 - Thermodynamic modeling and experimental investigations of high temperature corrosion and oxidation due to increased power plant cycling T1 - Thermodynamische Modellierung und experimentelle Untersuchungen der Hochtemperaturkorrosion und -oxidation aufgrund des erhöhten Lastwechsels von Kraftwerken N2 - With the rapid growth of renewable energy sources (RES) in the power generation mix in accordance with the German energy transition policy (‘Energiewende’), fewer baseload coal power plants will be required. Future power generation will be supplied through decentralized power utilities such as off-shore wind parks and also through high operational flexibility of existing conventional coal power units. High operational flexibility means conventional power plants have to increase cyclic operations to cope with feed-ins from variable-RES such as wind and solar. Unlike medium and peak load power plants that can react quickly to load changes and power ramps, baseload power plants are not suited for such operations. Important technical requirements for flexible operation include among others; frequent start-ups and shut-downs, a minimum downtime, shorter startup time and short operational periods. Baseload coal power plants however do not meet these requirements. This increased cyclic mode of operation can have severe impacts on vital power plant components such as superheater and reheater tubes resulting in high temperature cyclic oxidation/corrosion especially because these plants were not designed for frequent cyclic operations. To optimize plant operations, minimize material damage and reduce operational and maintenance cost, it is therefore important to understand the oxidation and corrosion risk to plants materials associated with this flexible mode of operation. In this context, thermochemical modeling in FactSage 6.4ᵀᴹ as well as experimental investigations were carried out. For the experimental investigations, five commercial coal boiler superheater and reheater materials, namely T91, VM12-SHC, TP347-HFG, DMV304 HCu and DMV310 N were exposed for 1000 hours under discontinuous isothermal oxidation conditions and 1000 hours thermo–cyclic oxidation conditions at a metal surface temperature of 650 °C. The synthetic corrosive flue gas consisted of a mixture of CO₂, O₂, SO₂, N₂ and H₂O. The test material samples were partly covered in fly ash to investigate the effect ash deposits on the corrosion and oxidation behavior of the test materials. After exposure metallographic analysis by means of light microscopy and scanning electron microscopy (LOM and SEM–EDS) were carried out to study the oxide morphology and micro–structural properties of the materials. The oxidation kinetics (weight change) results showed significant oxide growth rates (weight gain) under cyclic oxidation conditions especially in the martensitic alloys – T91, VM12-SHC. Furthermore, metallographic analysis revealed severe oxide spallation in the ash covered sections of these alloys. The austenitic materials (TP374-HFG, DMV310 N) with the exception of DMV304 HCu showed good oxidation behavior with minimal oxide growth both under isothermal and thermal cyclic conditions. However, severe grain boundary attack and internal sulphidation were found in these alloys. DMV310 N showed the best corrosion and oxidation performance. The thermochemical modeling calculations supported the experimental results. N2 - Bedingt durch die Zunahme der erneuerbaren Energien im Rahmen der Energiewende sind zunehmend weniger Großkraftwerke erforderlich. Zukünftig erfolgt die Bereitstellung der elektrischen Energie durch dezentrale Energieerzeuger, wie Offshore-Windparks, Solar-Parks sowie die in der Flexibilität gesteigerten konventionellen Kraftwerke. An ein konventionelles Kohlekraftwerk besteht zukünftig der Anspruch einer möglichst flexiblen Fahrweise und die Herausforderung, den bisherigen Dauerbetrieb unter Volllast auf einen Teilbetrieb mit wenigen Betriebsstunden unter Teillast absenken zu können. Für die nötige flexible Fahrweise sind, neben anderen Faktoren, eine kurze Anfahrdauer, kurze Einsatzzeiten, hochfrequente An- und Abfahrzyklen sowie minimale Stillstandzeiten sehr wichtige Kriterien, um die Betriebsweise dem schwankenden Bedarf optimal angleichen zu können. Diese Kriterien können bisher jedoch nur von Mittel- und Spitzenlastkraftwerken erfüllt werden. Durch die zunehmende Schwankungsbreite der Einspeisung von elektrischer Energie, in Folge des Ausbaus regenerativer Energieerzeugung und dem Abbau von Grundlastkraftwerken, sind zunehmend auch die verbleibenden Grundlastkraftwerke auf eine flexible Fahrweise angewiesen. Diese Betriebsweise führt in kohlebefeuerten Grundlastkraftwerken zur drastischen Verkürzung der Betriebszeiten durch schneller stattfindende Materialschädigungen, wie beispielsweise Hochtemperaturkorrosion und -oxidation. Um solche Anlagen bei Reduzierung der Betriebskosten für eine flexiblere Fahrweise zu optimieren, ist es notwendig das Korrosionsverhalten der Dampferzeugerwerkstoffe genauer zu untersuchen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden sowohl thermochemische Modellierungen in FactSageᵀᴹ 6.4 als auch experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Für die experimentellen Untersuchungen wurden fünf kommerzielle Stähle für den Einsatz in Dampferzeugern, Überhitzern und Zwischenüberhitzern ausgewählt (TP91, VM12-SHC, TP347-HFG, DMV304 HCu und DMV310 N). Diese wurden jeweils für 1000 Stunden unter isothermen sowie thermozyklischen Oxidationsbedingungen bei einer Temperatur von 650°C dem synthetischen Rauchgas ausgesetzt. Das korrosive Rauchgas bestand aus einer Mischung von CO₂, O₂, SO₂, N₂ und H₂O. Die Materialproben wurden zum Teil mit Flugasche bedeckt, um die Auswirkungen der Ascheablagerungen auf das Korrosionsund Oxidationsverhalten der Werkstoffe zu untersuchen. Die korrodierten Proben wurden licht- und rastereletronenmikroskopisch analysiert (LiMi und REM-EDX). Bei der Charakterisierung von Oxidschicht und Material wurden neben den morphologischen auch die mikrostrukturellen Eigenschaften untersucht. Bezüglich der Oxidationskinetik (Gewichtsänderungen) zeigten insbesondere die martensitischen Stähle (T91, VM12-SHC) unter thermozyklischen Bedingungen signifikante Oxidwachstumsraten (Gewichtszunahmen). Darüber hinaus konnten metallographische Analysen Oxidschichtabplatzungen in den mit Asche bedeckten Bereichen nachweisen. Hingegen wiesen die austenitischen Stähle (TP347-HFG, DMV310 N), mit Ausnahme von DMV304 HCu, sowohl unter isothermen als auch unter thermozyklischen Bedingungen ein gutes Oxidationsverhalten mit minimalem Oxidschichtwachstum auf. Dennoch konnten Korngrenzenangriffe sowie innere Sulfidbildungen in diesen Legierungen beobachtet werden. Von allen Stählen wies DMV310 N den höchsten Widerstand gegenüber Korrosion und Oxidation auf. Die thermochemische Modellierung bestätigte die experimentellen Ergebnisse. KW - Thermo-chemical modeling KW - Oxidation KW - High temperature corrosion KW - Cycling KW - Flexible generation KW - Oxidation KW - Hochtemperaturkorrosion KW - Lastwechsel KW - Flexible Kraftwerke KW - Thermochemische Modellierung KW - Kraftwerk KW - Hochtemperaturkorrosion KW - Lastwechselverhalten KW - Oxidation KW - Thermodynamik KW - Modellierung Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-40032 ER -