Verschleißschutz und Eigenschaftsoptimierung von modernen Hochleistungswerkstoffen durch lasergestützte Randschichtaushärtung
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- Norbert Meyer
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1 Verschleißschutz und Eigenschaftsoptimierung von modernen Hochleistungswerkstoffen durch lasergestützte Randschichtaushärtung J. Kaspar 1, A. Reck 1,2, F. Tietz 1, S. Bonß 1, M. Zimmermann 1,2, A. Luft 1, B. Brenner 1 1 Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) 2 Technische Universität Dresden Werkstoffwoche 2015 / Symposium 16 Surface Engineering Di, , 9:20 Uhr IWS-13_2015-WW-2015_1-kas.ppt
2 Eigenschaften und Anwendungen ausscheidungshärtbarer martensitischer Chrom-Nickel-Stähle Höchstbeanspruchte Bauteile (Turbinenbau, Luft- u. Raumfahrt, Chemieanlagen) Werkstoffe mit optimiertem Eigenschaftsprofil: + hohe Festigkeit ( MPa) + hohe Duktilität und Zähigkeit + gute Korrosionsbeständigkeit + hohe thermische Stabilität + sehr gute Verarbeitbarkeit Ausscheidungshärtbare martensitische Chrom-Nickel-Stähle Nutzung verschiedener Härtungsmechanismen: - Mischkristallhärtung (Cr, Ni, Mo) - martensitisches Gefüge + hohe Versetzungsdichte - feindisperse Ausscheidungen Ermöglichung der Martensitbildung über Cr- / Ni- Balance Zulegieren von Ausscheidungsbildnern (Ti, Al, Mo, Cu) IWS-13_2015-WW-2015_2-kas.ppt
3 Typen ausscheidungshärtbarer korrosionsbeständiger Cr-Ni-Stähle Stahlmarke Zusammensetzung in Ma-% Ausscheidungen Martensitische Stähle 17-4 PH 15-5 H PH 13-8 Mo C Cr Ni Mo Cu Al Ti Nb 0,05 16,0 4,2 0,05 14,7 4,5 0,03 12,7 8,2 3,4 0,25 3,5 0,25 2,2 1,1 Cu Cu Ni 3 Mo, Ni 3 Al, Halbaustenitische Stähle 17-7 PH PH 15-7 Mo 0,07 17,0 7,1 0,07 15,0 7,1 1,2 2,5 1,2 Ni 3 Al, Ni 3 Al, Ni 3 Mo, Vollaustenitische Stähle A-286 0,05 14,75 25,25 1,3 0,15 2,15 Ni 3 Mo, Ni 3 Ti, IWS-13_2015-WW-2015_3-kas.ppt
4 Mikrostruktur nach konventioneller Ausscheidungshärtung: 17-4 PH Wärmebehandlung (überaltert): Lösungsglühung: 1050 C, 0,5 h Auslagerung: 560 C, 3 h Festigkeit: MPa Struktur: Feiner Lattenmartensit mit Lattenbreiten von 0,1-0,5 µm Hohe Versetzungsdichte, Versetzungsanordnung z. T. thermisch erholt Beginnende Rückbildung des Martensits zu Austenit Globulare Niobkarbidausscheidungen ( 200 nm) Heterogene Kupferausscheidungen im Martensit (10-50 nm) TEM-Hellfeldaufnahmen IWS-13_2015-WW-2015_4-kas.ppt
5 Limitierungen der konventionellen Ausscheidungshärtung Zur Garantie hoher Zähigkeit und Dauerschwingfestigkeit müssen die ausscheidungshärtbaren Cr-Ni-Stähle im überalterten Zustand eingesetzt werden! geringe Verschleißbeständigkeit nur unzureichende technische Lösungen zum Verschleißschutz: bei hoher zyklischer Belastung wenn Verschleißtyp dicke gehärtete Randschichten erfordert (Kavitation, Tropfenschlagerosion) wenn ausgezeichnete mechanische Eigenschaften im Werkstückkern nicht beeinträchtigt werden sollen Lösungsweg: Entwicklung eines neuartigen, lasergestützten Verfahrens zur selektiven Randschichtaushärtung IWS-13_2015-WW-2015_5-kas.ppt
6 Verfahren: Lasergestützte Randschichtaushärtung 1. Konventionelle Wärmebehandlung des gesamten Materials zur Einstellung der gewünschten Eigenschaften im Materialinneren Überalterung zur Gewährleistung von Duktilität und Zähigkeit 2. Selektive und kurzzeitige Lösungsglühung der oberflächennahen Bereiche mittels Laser 3. Erneute Auslagerung des Materials bei relativ niedrigen Temperaturen (Peak-Härtung) IWS Patent B. Brenner, F. Tietz; Patentschrift DE C2 Temperature 1350 C, 10 s K/s 1050 C, 0,5 h 0,1...0,5 K/s 442 C, 8 h Time 560 C, 3 h Erzeugung von Randzonen mit höherer Härte und verbessertem Verschleißverhalten Keine Beeinflussung des Materialinneren Conventional HT-cycle short time HT-cycle IWS-13_2015-WW-2015_6-kas.ppt
7 Experimentelles: Lasergestütztes Verfahren zur selektiven Randschichtlösungsglühung Hochleistungsdiodenlaser (bis 6 kw) - Schneller Scanner: Spurbreite bis 50 mm - Integrierte kamerabasierte Temperaturmesseinheit E-MAqS (IWS) Temperaturregelung - LompocPro (IWS) IWS-13_2015-WW-2015_7-kas.ppt
8 Ergebnisse: Mikrostruktur nach Laserlösungsglühung - Tiefe der laserbeeinflussten Zone 4 mm - Strukturelle Unterschiede innerhalb diese Zone - keine Überhitzung (Grobkornbildung) Mikrostruktur (100 µm unter der Oberfläche) - Lattenmartensit mit hoher Versetzungsdichte - Cu-Ausscheidungen vollständig aufgelöst - Nb-Karbide teilweise noch vorhanden - kein Restaustenit IWS-13_2015-WW-2015_8-kas.ppt
9 Verschleißschutz und Eigenschaftsoptimierung von modernen Hochleistungswerkstoffen durch lasergestützte Ergebnisse: Mikrostruktur nach Randschichtaushärtung (überaltert) Konventionell: A = 560 C / 3 h Cu-Ausscheidungen unterschiedlicher Größe ( nm) Laserlösungsgeglüht: A = 550 C / 3 h feindisperse und homogen verteilte Cu-Ausscheidungen (5-20 nm) In der randschichtausgehärteten Zone ist die Ausscheidungsdichte viel höher und die Größe der Cu-Partikel deutlich kleiner als nach der konventionellen Wärmebehandlung IWS-13_2015-WW-2015_9-kas.ppt
10 Ergebnisse: Mikrostruktur nach Randschichtaushärtung (leicht überaltert) Keine Veränderung der Martensitstruktur bei der Auslagerung keine Reduzierung der Versetzungsdichte keine Rückbildung des Martensits zu Austenit (I) einige Cu-Ausscheidungen: 5 15 nm kfz ε-phase (II) hohe Dichte sehr feiner kupferreicher Partikel: 1 3 nm (homogen verteilt) Laserlösungsgeglüht: A = 480 C / 8 h Homogen gehärtete Randschichten garantieren hohe Härten und einen hohen Verschleißwiderstand IWS-13_2015-WW-2015_10-kas.ppt
11 unterschiedliche Glühdauer Ergebnisse: Mikrohärtemessungen Deutliche Steigerung der Randschichthärte im Vergleich zum Anlieferungszustand für alle Stähle Ausdehnung der Härtezone und Grad der Aushärtung über weite Bereiche variabel Härte im Materialinneren unbeeinflusst unterschiedliche Werkstoffe unterschiedliche Auslagerung IWS-13_2015-WW-2015_11-kas.ppt
12 Ergebnisse: Kavitationsverschleiß Deutliche Verbesserung des Verschleißwiderstandes gegen kavitative Beanspruchung Unterschiede im Anlieferungszustand werden durch die Randschichthärtung ausgeglichen Gute Korrelation von Härte und Verschleißbeständigkeit IWS-13_2015-WW-2015_12-kas.ppt
13 Anwendung: Verschleißschutz für Endstufen-Turbinenschaufeln aus 17-4 PH Weiterentwicklung des neuen lasergestützten Randschichtveredelungsverfahrens zur Härtung von Endstufenturbinenschaufeln Überführung des Verfahrens und Aufbau einer Laserstrahlhärteanlage zum beidseitig gleichzeitigen Laserstrahlhärten von Turbinenschaufeln (Siemens, Energy Sector) IWS-13_2015-WW-2015_13-kas.ppt
14 Zusammenfassung: Im Vortrag wurde ein neues lasergestütztes Verfahren zur Randschichthärtung ausscheidungshärtbarer Stähle vorgestellt. In der randschichtausgehärteten Zone liegt eine homogenere und dichtere Ausscheidungstruktur vor als nach der konventionellen Wärmebehandlung höhere Keimbildungsdichte für die Ausscheidungsprozesse (Martensit) höhere thermische Stabilität des Martensits Deutliche Verbesserung der Härte und Verschleißbeständigkeit ohne Beeinflussung der Materialeigenschaften im Materialkern Oberflächen- und Bulk -Eigenschaften können nahezu unabhängig voneinander eingestellt werden Gradientenstrukturen harte Oberfläche + zäher Kern Anwendung des Verfahrens zur Randschichthärtung von hochbelastbaren Endstufenturbinenschaufeln zur Erhöhung der Einsatzzeit IWS-13_2015-WW-2015_14-kas.ppt
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