Prof. Dr. Thomas Lampke zeigte sich bei der Eröffnung des 23. Werkstofftechnischen Kolloquiums im Konferenzzentrum der Universität sehr erfreut über den großen Zuspruch zur Tagung. So konnten die Veranstalter auf die Unterstützung durch die Fachverbände DGM, DGO und DVS bauen und die Teilnahme der Unternehmen Carl Zeiss GOM Metrology, Cloeren Technology, Evident Europe, Hegewald & Peschke, Höganäs Germany, Limess, Polytec und ZwickRoell brachte zusätzliche technisch-wissenschaftliche Inhalte für die Tagung mit insgesamt 64 Fachvorträgen.
Gruppenbild der Tagungsteilnehmerinnen und Tagungsteilnehmer(Bild: TU Chemnitz)
Das traditionsreiche Werkstofftechnische Kolloquium (WTK) wurde wie in den vergangenen Jahren vom Institut für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnik (IWW), vertreten durch die Professoren Thomas Lampke, Andreas Undisz, Guntram Wagner und Martin F.-X. Wagner, veranstaltet. Annähernd 200 nationale und internationale Teilnehmerinnen und Teilnehmer schufen eine attraktive Plattform für wissenschaftliche Diskussionen und trugen zur Vernetzung mit Fachleuten aus der Industrie, die ein Viertel der Teilnehmerzahl ausmachten, bei. Grußworte von Prof. Andreas Schubert, Dekan der Fakultät für Maschinenbau an der TU Chemnitz, und Dr. Klaus Nassenstein, Präsident des Forschungs- und Transfernetzwerks Mittelstand AiF e. V. sowie Geschäftsführer und Mitinhaber der GTV Verschleißschutz GmbH, betonten die Bedeutung der Veranstaltung als Impulsgeber und Diskussionsplattform. Im Sinne des Leitsatzes des Kolloquiums Wissenschaft trifft Wirtschaft sprach Dr. Nassenstein über das Forschungsnetzwerk der AiF.
Junge Startups und ein Forschungsverbund bereicherten die Ausstellung, was die enge Verknüpfung zwischen Wissenschaft und Wirtschaft verdeutlichte und Karriereperspektiven für den wissenschaftlichen Nachwuchs aufzeigte. Drei aus EXIST-Forschungstransferprojekten hervorgegangene Startups waren vor Ort: Die CMMC GmbH, eine Ausgründung aus der TU Chemnitz, bietet ein neuartiges Herstellungsverfahren für AMC-Werkstoffe und die Produktion dieser Werkstoffe an. Das Gründungsprojekt NanoSen, ebenfalls eine Ausgründung aus der TU Chemnitz, entwickelte ein innovatives Verfahren zur kostengünstigen Massenproduktion von Kraftsensoren aus Nanokompositen. Für die Werkstoffqualitätskontrolle in der industriellen Anwendung nutzt die MiViA GmbH, eine Ausgründung der TU Bergakademie Freiberg, ein selbstlernendes autonomes Mikrostrukturanalyse-System.
Der Vortragsteil des Kolloquiums wurde von einer Posterausstellung sowie einer Postersession begleitet. Die besten Poster, ausgewählt aus den vor dem gesamten Plenum in Kurzvorträgen präsentierten Beiträgen, wurden während der Abendveranstaltung des ersten Konferenztags mit dotierten Preisen gekrönt. Die drei Gewinner waren Dr. Jan Tomastik von der Palacký University Olomouc aus Tschechien (1. Platz), Jun Xu von Innovent e. V. aus Jena (2. Platz) und Tobias Heib von der Universität des Saarlandes (3. Platz).
Verleihung der Best Poster Awards (v. l. n. r.): Prof. Martin F.-X. Wagner, Jun Xu, Prof. Thomas Lampke, Dr. Jan Tomastik, Tobias Heib, Prof. Guntram Wagner, Prof. Andreas Undisz (Bild: Felix Schubert)
Die 64 Fachvorträge befassten sich mit unterschiedlichen Themenschwerpunkten rund um die Werkstoff- und Oberflächentechnik, wie Thermisches Spritzen, Material- und Prozessentwicklung, Fügen, Additive Fertigung, Mensch-Technik-Interaktion, Simulation, Hochentropielegierungen oder Randschichten.
Thermisches Spritzen
Wirkung von Auftreffkräften thermisch gespritzter Partikel
Wie Dr. Šárka Houdková, Research and Testing Institute Plzen Ltd., Tschechien, einführend betonte, unterliegt jede thermisch gespritzte Schicht dynamischen Druckbelastungen durch die auftreffenden Teilchen während des Spritzvorgangs. Diese variierenden Kräfte wirken sich auf die Eigenschaften der Beschichtung aus. Während die Dynamik von auftreffenden Partikeln bei PVD- und CVD-Schichten bereits seit 30 Jahren untersucht wird, ist dies beim thermischen Spritzen erst seit kurzem der Fall. Dabei ist grundsätzlich zu berücksichtigen, dass die Partikel beim thermischen Spritzen um ein Vielfaches größer sind. Ähnliche Verhältnisse der auftretenden Kräfte sind beispielsweise auch bei Strahlbehandlungen oder Erosionsvorgängen zu erwarten.
Für die durchgeführten Untersuchungen an HVOF-Schichten wird ein spezieller Impacttest eingesetzt. Ähnlich wie bei PVD/CVD-Verfahren ist die Schicht aus drei gut zu unterscheidenden Zonen aufgebaut. Untersucht wurden die Eigenschaften bei verschiedenen Materialien sowie bei unterschiedlichen Schichtdicken. Die auftretenden Einschlagkräfte der Schichten sind abhängig von der Partikelgröße. Aus der jeweiligen Spannung folgen unterschiedliche Beständigkeiten gegen Verschleiß. Ein weiterer Unterschied zeigt sich bei den vorhandenen Rissen in den Schichten. Neben solchen Rissen wurden bei den Untersuchungen je nach Material und Spritzbedingungen auch Ablösungen von Schichtsegmenten festgestellt. Die Verschleißbeständigkeit weist nur eine geringe Abhängigkeit von der Aufschlagleistung der Partikel bei der Schichtherstellung auf. Bei den verschiedenen Schichtwerkstoffen konnten unterschiedliche Ausführungen an Eigenspannungen ermittelt werden.
Haftvermittlerschichten für Barrier Coatings
Die von Dr. Georg Mauer vom Forschungszentrum Jülich eingesetzten HVAF-Schichten (Hochgeschwindigkeitsspritzen mit Luft-Brennstoff) zeichnen sich durch relativ hohe Partikelgeschwindigkeiten bei eher geringen Temperaturen der Partikel beim Beschichten aus. Hinsichtlich der erreichbaren Partikelgeschwindigkeiten und -temperaturen lässt sich die Beschichtungstechnologie zwischen dem Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen (HVOF) und dem Kaltgasspritzen (CGS) einordnen. Die Vorteile des HVAF-Verfahrens hinsichtlich moderater Prozesstemperaturen, hoher Partikelgeschwindigkeiten sowie hoher Produktivität und Effizienz legen nahe, dass seine Anwendung auch für die Herstellung von MCrAlY-Haftvermittlerschichten (M = Co und/oder Ni) in Wärmedämmschichtsystemen (TBC) untersucht werden sollte.
Als Brennstoffe beim HVAF-Verfahren werden Propylen und Propan eingesetzt. Bei dieser Art der Beschichtung werden die Partikel in der Brennkammer erhitzt. Der Strahl selbst unterliegt bei der Nutzung bestimmter Spritzparameter einer pulsierenden Kompression, die durch Anpassung der Anlagenparameter vermieden werden kann.
Die Anpassung der Spritzparameter verändert die Mikrostruktur der Schichten, zum Beispiel im Hinblick auf das Aufschmelzen der Partikel, wobei die kleineren Partikel in der Regel aufgeschmolzen werden können. Größere Partikel werden nur partiell aufgeschmolzen und verhalten sich zäh-viskos. Die Beschichtungen selbst wurden im Hinblick auf ihre Mikrostruktur, die Oberflächenrauheit und den Sauerstoffgehalt charakterisiert. Darüber hinaus wurde die Abscheideeffizienz bewertet. Die Ergebnisse zeigen, dass das HVAF ein vielversprechendes alternatives Herstellungsverfahren für Haftvermittlerschichten ist.
Innenbeschichtung von Zylindern bei kurzen Spritzabständen
HVOF- und HVAF-Schichten werden genutzt, um eine hohe Verschleißbeständigkeit von Werkstoffoberflächen zu erzielen, wie Dr. Ingor Baumann, Technische Universität Dortmund, Lehrstuhl für Werkstofftechnologie, eingangs seines Vortrags betonte. Die Entwicklung derartiger Beschichtungsverfahren wurde in den letzten Jahren durch die bessere Zugänglichkeit zu Brennstoffen und Partikelvarianten deutlich beschleunigt. Eine besondere Herausforderung besteht bei der Entwicklung von Verfahren für die Innenbeschichtung von Zylindern. Bei der Entwicklung werden Verfahren zur Überwachung des Spritzvorgangs eingesetzt, beispielsweise zur Überwachung der Partikelgröße sowie der Koagulation. Dies ist von besonderem Interesse, da die Partikelgröße stark in den Zustand der Materialien in Bezug auf deren Schmelzen eingeht; bei den Untersuchungen des Vortragenden kamen WC-Co-Pulver mit Durchmessern von etwa 10 μm zum Einsatz.
Beachtenswert sind die kleinen Abstände zwischen Spritzdüse und Oberfläche im Bereich von etwa 10 mm. Problematisch ist den Versuchen zufolge die Neigung der Partikel zur Agglomeration. Zur Optimierung der Spritzbedingungen wurde mit unterschiedlichen Arten von Kühlung gearbeitet, zum Beispiel durch Zuführung von Stickstoff zur Brennflamme. Die Schichteigenschaften in Bezug auf Ebenheit und Geschlossenheit nehmen mit Erhöhung des Spritzabstands zu und sind ab etwa 30 mm sehr gut. Auch die Härte der Schichten nimmt mit steigendem Spritzabstand zu. Die Verschleißbeständigkeit und der Reibkoeffizient waren bei den untersuchen Schichten, hergestellt mittels Innenbeschichtung, sehr gut im Vergleich zu anderen Herstellverfahren.
Reparatur von Flugzeugteilen durch Kaltgasspritzen
Mit den Einrichtungen des Vortragenden Ondřej Chocholaty, Research and Testing Institute Plzen Ltd., Thermal Spraying, Tschechien, lassen sich Teile bis zu sechs Meter Länge und sechs Tonnen Gewicht bearbeiten. Beschichtet werden Teile für Fahrwerke, beispielsweise im Bereich der Bremsen. Genutzt werden hierfür Einrichtungen zum Hochdruck-Kaltgasspritzen, die sich durch eine geringe Oxidation der Schichtwerkstoffe auszeichnen. Des Weiteren ist zu vermerken, dass die Schichtpartikel nicht aufschmelzen, da die Temperaturen auf unter 1100 °C gehalten werden können. Von Nachteil ist, dass Helium oder Stickstoff als Träger für die Partikel genutzt werden müssen. Als Werkstoffe werden zum Beispiel die Aluminumlegierungen AL7075 oder Aluminium SST5001 eingesetzt.
Bemerkenswert ist bei den eingesetzten Pulvern die starke Streuung der Partikelgröße und -form. Das zu beschichtende Substrat wird mittels Azeton gereinigt und sandgestrahlt. Die Schichten werden in der Regel allseitig aufgebracht und bestehen aus vier Einzellagen. Die Anbindung der Schicht an das Substrat ist sehr gut, so dass keine Trennzone erkennbar ist. Die Schichteigenschaften erfüllen alle Anforderungen an Bauteile für die Flugzeugindustrie, weshalb die Beschichtung als Reparaturverfahren akzeptiert ist.
Herstellung freistehender Titanschichten mittels Plasmaspritzen
Motivation für die Entwicklungsarbeiten von Lidong Zhao, RWTH Aachen University, Institut für Oberflächentechnik, ist die Entwicklung von Wasserstoff durch Wasserelektrolyse unter Einsatz von PEMs. Bisher werden bei entsprechenden Zellen sehr teure Rohstoffe wie Rutheniumoxid eingesetzt. Dieses kann durch das deutlich kostengünstigere Titan, zum Beispiel als Sinterwerkstoff oder Netze, ersetzt werden.
Eine weitere Möglichkeit ist die Herstellung von porösen Titanschichten durch Einsatz des atmosphärischen Plasmaspritzens. Dieses lässt sich zum Beispiel durch Verwendung von Titanpulver mit Korngrößen von 45 µm und Natriumchloridpulver mit Korngrößen von 350 µm realisieren. Dabei wird der Aufbau so gewählt, dass auf ein Titansubstrat zunächst Natriumchlorid aufgespritzt wird und darauf eine Titanschicht. Anschließend kann die Schicht mechanisch einfach vom Substrat abgelöst und das an der Titanschicht haftende Natriumchlorid in Wasser aufgelöst werden, so dass ein Titanfilm verbleibt. Dieser zeichnet sich durch geringe innere Spannungen aus, wodurch ein planer Metallfilm verfügbar ist. Als wichtige Prozessgröße gilt die Temperatur der Titanschichten, die unter 500 °C gehalten werden kann.
Alternativ wurde ein Aufbau mit CFK als Substrat untersucht, bei dem aber einerseits Kohlenstoffreste im Titan verbleiben und zum anderen die Gewebestruktur des CFK im Titan abgebildet wird. Stahl als Substrat scheidet aus, da die Titanschicht nur bedingt vom Stahl abgehoben werden kann. In der Regel zerbricht die Folie, vor allem durch Oxidation bei der Herstellung. Gute Ergebnisse lassen sich erzielen, wenn auf eine glatte Titanoberfläche Natriumchlorid und anschließend Titan bei Begrenzung der Temperatur auf 500 °C aufgebracht wird.
Antibakteriell wirkende Verschleißschutzschichten
In der Lebensmittelindustrie kommen keramische Werkstoffe in unterschiedlichen Anlagenteilen zum Einsatz; die Oberflächen der Teile müssen daher entsprechenden Hygieneanforderungen genügen. Jonas Frederik Zajaczkowski, Technische Universität Dortmund, Lehrstuhl für Werkstofftechnologie, befasst sich mit geeigneten Schichten für Anwendung in der Lebensmittelindustrie. Gefordert sind für diesen Einsatzzweck antibakterielle Oberflächen, was unter anderem durch die Verwendung von Wolframoxid erreicht werden kann. Als Schichtmaterial kommt Aluminiumoxid mit Korngrößen von 15 µm bis 45 µm in Betracht. Hierzu wird Wolframoxid mit Korngrößen von 50 nm bis 5 µm an Aluminiumoxid angelagert. Das so vorbehandelte Pulver wird für das Beschichten verwendet.
Dabei zeigt es sich, dass die kleineren Partikel in größerer Menge an das Aluminiumoxid aufgebracht werden können, als die größeren. Die gespritzten Schichten lassen bei Aluminiumoxid mit 5 µm Wolframoxid kein Wolframoxid in der fertigen Schicht erkennen, wogegen die kleinen Partikel Anteile von Wolframoxid aufweisen.
Vergleichbare Untersuchungen wurden an Siliziumoxidpartikeln mit Wolframoxidbeschichtung vorgenommen. Gute Ergebnisse wurden bei Zugabe von etwa 2 % Wolframoxid erzielt. Die Porosität der Schichten zeigt in allen Fällen ein ähnliches Niveau. Bezüglich der antibakteriellen Wirkung hat vor allem die Partikelgröße der zugegebenen Wolframoxidpartikel einen entscheidenden Einfluss.
Hartmetallschichten
Als Basis der von Dr. Lutz-Michael Berger, Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS, vorgestellten Hartmetallschichten dienen Wolframcarbid und Chromcarbid, wobei Wolframcarbid die Härte bewirkt und Chromcarbid die Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit ergibt. Unterschiedliche Kennwerte weisen die beiden Stoffe beim Elastizitätsmodul, der Wärmeleitfähigkeit und dem CTE-Wert auf. Die Hartmetallzusammensetzungen auf Basis von WC und Cr3C2 werden in großem Umfang für thermische Spritzbeschichtungslösungen zum Verschleißschutz verwendet. Für den optimalen Einsatz einer derartigen Werkstoffzusammensetzung ist es notwendig, die Wechselwirkungen von Wolframcarbid und Chromcarbid zu kennen, was Ausgangspunkt für die vom Vortragenden durchgeführten Untersuchungen war.
Für die Untersuchungen wurden zehn Binär- sowie die beiden Grenzmischungen mit Wolframcarbid beziehungsweise Chromcarbid eingesetzt, die alle einen konstanten Gehalt von 15 Vol.-% Nickel enthielten. Die verwendeten Proben wurden auf einem üblichen pulvermetallurgischen Weg hergestellt. Bei der Herstellung der Schichten zeigt sich, dass je nach Zusammensetzung des Pulvers in der Schicht deutlich unterschiedliche Korngrößen vorliegen. Daraus ergibt sich auch der Unterschied in der Härte der Schicht, je nach Zusammensetzung.
Einsatz von lichtbogengespritzten Schichten
Wie Dehua Chen von der Neue Materialien Bayreuth GmbH eingangs ausführte, sollen die von ihm untersuchten Schichten aus dem Lichtbogenspritzen als Schutz gegen Verschleiß und Korrosion eingesetzt werden. Das genutzte Herstellverfahren zeichnet sich unter anderem durch geringe Temperaturen an der Substratoberfläche von unter 180 °C aus und wird in der Industrie in breitem Umfang einsetzt. Die Schichtdicken des Verfahrens liegen vor allem im Bereich von weniger als 30 µm. Die für das Verfahren nutzbaren Pulver sind ähnlich denen, die für die Pulvermetallurgie oder additive Verfahren verwendet werden. Als wichtiger Prozessschritt gilt die Herstellung eines geeigneten Pulvers, das möglichst sphärische Form haben sollte. Dazu wurde im Rahmen des Entwicklungsprojekts ein Verfahren zur Pulverherstellung optimiert. Ein Charakteristikum des Pulvers ist der geringe Sauerstoffgehalt.
Für die Herstellung von Schichten werden zwei unterschiedliche Verfahren eingesetzt. Zum einen wird mit Hilfe des Lichtbogenspritzens hochwertiges metallisches Pulver für das laserbasierte Pulverbettschmelzverfahren (PBF-LB/M) hergestellt. Diese Anwendung bietet den Vorteil einer bedarfsgerechten Herstellung von einer kleinen Pulvermenge mit hoher Pulverqualität aus handelsüblichen Drähten. Das zweite Verfahren ist ein Hybridprozess, bei dem das Lichtbogenspritzen und ein Polymer-AM-Prozess (Multi-Jet-Fusion) kombiniert werden, um eine Hybridanode mit komplexer Geometrie herzustellen. Die Hybridanode besteht aus einem 3D-gedruckten Polymerkern und einer teilweise metallisierten Oberfläche, die durch Lichtbogenspritzen beschichtet ist. Durch den Einsatz dieser Hybridanode beim Verchromen kann die Homogenität der abgeschiedenen Chromschicht deutlich verbessert werden.
Fügen
Ausscheidungsverhalten und Kerbschlagzähigkeit geschweißter Konstruktionsstähle
Nina Schröder, Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), Berlin, stellte Untersuchungen über den Einfluss von Mikrolegierungen auf das Ausscheidungsverhalten und die Kerbschlagzähigkeit von geschweißten, hochfesten Stählen vor. Mikrolegierungselemente, wie Niob und Titan, sind für die signifikante Festigkeitssteigerung von vergüteten, hochfesten Feinkornbaustählen mit einer Nominalstreckgrenze von mehr als 690 MPa und ihrer Schweißverbindungen unerlässlich. Bei den Vorgaben der Norm (DIN EN 10025-6) zur chemischen Zusammensetzung sind allerdings nur tolerierte Grenzgehalte aufgeführt, innerhalb derer sich die Stahlhersteller bewegen.
Die Normzusammensetzung sagt jedoch nichts über die Eigenschaften des Werkstoffs aus. Bereits kleine Abweichungen in der Legierungsroute wirken sich teilweise drastisch auf die mechanischen Eigenschaften aus. Somit wird eine adäquate Vorhersage der Schweißeignung und der Integrität der Schweißverbindung erschwert oder sogar unmöglich. Ein unerwünschter Nebeneffekt ist die mögliche Erweichung der Wärmeeinflusszone, als auch die gegenteilige Aufhärtung.
Vor diesem Hintergrund werden erstmals systematisch die Effekte unterschiedlicher Mikrolegierungsrouten an Versuchslegierungen mit variierenden Titan- und Niobgehalten untersucht. Die Stahlgüte S690QL bildet dabei die Grundlage (chemische Zusammensetzung und entsprechende Wärmebehandlung). Zur Bewertung der Schweißeignung wurden dreilagige Schweißverbindungen (mit MAG-Hochleistungsschweißen) hergestellt, die Ausbildung der Wärmeeinflusszone untersucht sowie kritische Gefügebereiche identifiziert. Der Fokus der analytischen Betrachtungen lag hier auf der Identifikation der Phasenumwandlungen beim Abkühlen und des dementsprechenden metallurgischen Ausscheidungsverhaltens. Zusätzlich wurden isotherme und nicht-isotherme Phasenberechnungen mit Thermo-Calc durchgeführt.
Mechanisch-technologische Untersuchungen zur Kerbschlagzähigkeit bestätigen dabei die Ergebnisse der Simulation hinsichtlich der Ausprägung unterschiedlicher Mikrolegierungsrouten im geschweißten Zustand. Daraus lässt sich der Einfluss der Wärmeeinwirkung des Schweißens auf die Gefügeausbildung in der Wärmeeinflusszone und der korrespondierenden mechanischen Eigenschaften qualitativ beschreiben.
Rissbildung an Schweißverbindungen
Im Kraftwerksbereich ist eines der Hauptziele die Effizienzsteigerung von thermischen Kraftwerken. Dies kann mit überkritischen bis ultraüberkritischen Dampfparametern erreicht werden. Die Verwendung von Dampf mit höherer Temperatur erhöht sowohl die Effizienz von Kraftwerken als auch die Emissionen an Kohlenstoffdioxid. Um die Lebensdauer von Kesseln zu erhöhen, müssen hitzebeständige Materialien verwendet werden, die bei höheren Temperaturen kriech-, oxidations- und korrosionsbeständig sind. Aus diesem Grund wurde in einer Arbeit von David Aišman, Research and Testing Institute Plzen Ltd., Metallographic and Chemical Laboratory, schrittweise der 7CrMoVTIB10-10-Stahl entwickelt.
Dieser niedriglegierte, hitzebeständige Stahl wird zum Aufbau von Membranwänden in Kesseln mit überkritischen Dampfparametern verwendet. Der Stahl wurde so konzipiert, dass weder ein Vorwärmen vor dem Schweißen noch eine anschließende Wärmebehandlung erforderlich ist. Allerdings traten nach dem Einsatz in Wärmekraftwerken und der Einwirkung von Betriebstemperaturen unerwünschte Probleme an den Schweißstellen auf. In einem Versuchsprogramm wurden an 7CrMoVTIB10-10-Stählen unter Betriebsbelastung Wärmebehandlungen mit unterschiedlichen Anwärmtemperaturen, Haltezeiten und Abkühlverfahren erprobt. Ziel war es, die während des Einsatzes entstandenen Ausscheidungen in der Kesselschlitzwand zu entfernen und deren mechanische Eigenschaften wiederherzustellen.
Rührreibschweißen von Aluminium
Das Rührreibschweißen (FSW) von Aluminium, ein Thema, mit dem sich Toni Sprigode, TU Chemnitz, Institut für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnik, befasst, wird aufgrund seiner hervorragenden Verbundfestigkeiten in zahlreichen Branchen wie Luft- und Raumfahrt, Automobil und Elektromobilität eingesetzt. Herkömmliche Werkzeuge für das Rührreibschweißen bestehen in der Regel aus Werkzeugschulter und Schweißstift. Diese haben den Nachteil, dass es bei zu geringer Einschweißtiefe zu Wurzelfehlern kommen kann, welche die Verbundfestigkeit und insbesondere die Dauerfestigkeit negativ beeinflussen.
Um dieser Schwachstelle entgegenzuwirken, werden Spulenwerkzeuge eingesetzt. Am Schweißstiftende dieser Spezialwerkzeuge befindet sich zusätzlich eine zweite Schulter, wodurch auf ein Schweißpad verzichtet werden kann und somit das Schweißen über die gesamte Werkstückdicke möglich ist. Die Möglichkeit, Spulenwerkzeuge aus keramischen Werkstoffen durch additive Fertigung herzustellen, erlaubt eine direkte Anpassung an die Schweißaufgabe.
Bei den durchgeführten Versuchen wurde die Aluminiumlegierung EN-AW 5454 gefügt. Insbesondere der Einlaufprozess erwies sich als kritische Belastung für die Keramikwerkzeuge. Um diese Schwachstelle zu untersuchen, wurde der Prozess simuliert, was zu einer Formoptimierung des Spulenwerkzeugs führte. Dies trug zu einer verbesserten Bindungsbildung nach direkter additiver Fertigung des optimierten Werkzeugs bei.
Gefügemodifikation durch veränderte Lotzusammensetzung
Ni 620 ist ein weit verbreitetes Hartlot, insbesondere in Fällen, in denen Hochtemperaturfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit erforderlich sind, wie Marvin Erck von der RWTH Aachen University, Institut für Oberflächentechnik, einleitend ausführte. Die Bildung von unerwünschten intermetallischen Phasen in der Lötverbindung aufgrund der Zugabe von Metalloiden wie Bor und Silizium zur Erniedrigung des Schmelzpunkts beeinflusst die mechanischen Eigenschaften der Verbindung. Die Reduzierung der intermetallischen Phasenbildung beim Löten ist bei der Anwendung von Ni 620 ein wichtiges Thema.
In einer Studie des Vortragenden werden zwei Ansätze verfolgt, um durch Impfen des Lots mit Niob und Variation des Gehalts an Bor und Silizium im Lot gezielt die Mikrostruktur der Lötverbindung zu beeinflussen. Anhand der Solidus- und Liquidustemperaturen der neuen Hartlote sowie der Mikrostruktur von Lötverbindungen und der Härteeigenschaften wurde die Lötverbindung bewertet. Es wird beobachtet, dass die Zugabe von Niob zum Schweißzusatz Ni 620 und die Variation des Bor- und Siliziumgehalts zu einer Veränderung des spröden Phasenbandes führen. Besonders spröde Chromboride können auf diese Weise reduziert werden. Die Ergebnisse tragen dazu bei, trotz niedriger Löttemperaturen und kurzer Haltezeiten Lötverbindungen mit angepassteren Eigenschaften herzustellen.
Amorphe Lotfolien auf Eisenbasis
Amorphe Hartlotfolien werden aufgrund ihrer Flexibilität und der daraus resultierenden einfachen Applikation zunehmend auf unterschiedlichsten Bauteilgeometrien eingesetzt. Aufgrund des jüngsten rapiden Anstiegs der Nickelpreise besteht ein enormer Forschungsbedarf hinsichtlich der Substitution von Nickel durch Eisen innerhalb herkömmlich verwendeter nickelbasierter amorpher Lötfolien. Mit derartigen Entwicklungen befasst sich Sophie Vinke, RWTH Aachen University, Institut für Oberflächentechnik.
Um zeitraubende Versuchsreihen zu vermeiden, sollen neu entwickelte thermodynamische Datenbanken Legierungszusammensetzungen mit hoher Glasbildungsfähigkeit (GFA – glass forming ability) vorhersagen. Folien sollen mit dem Melt-Spin-Prozess hergestellt und mit DSC (DSC – differential scanning calorimetry) und SEM (SEM – scanning electron microscope) charakterisiert werden. Zusätzlich wird der atomare Fehlanpassungsfaktor dieser Legierungen berechnet und mit Literaturdaten verglichen.
Eine neuartige amorphe Lötfolie auf Eisenbasis wurde erfolgreich im Legierungssystem Fe-Ni-Cr-Si-B hergestellt. Die Charakterisierung der Folie zeigt das Vorhandensein einer amorphen Struktur und der Fehlanpassungsfaktor von 0,11 ist vergleichbar mit dem anderer eisenbasierter Lötfolien mit einer Dicke von etwa 50 μm. Die neuartige amorphe Hartlotfolie auf Eisenbasis zeichnet sich durch ein einfaches und kostengünstiges Legierungskonzept aus. Ferner wurden neu entwickelte thermodynamische Datenbanken im Fe-Ni-Cr-Si-B-System durch die erfolgreiche Herstellung dieser Folie validiert. Die Vorhersage weiterer eisenbasierter amorpher Folien mittels thermodynamischer Berechnungen kann somit ermöglicht werden.
Oberflächenaktivierung für das Löten mit Nickelbasislegierungen
Wie Julia Bültena, TU Dortmund, Lehrstuhl für Werkstofftechnologie, einleitend erläuterte, haben durch additive Fertigungsverfahren laserstrahlgeschmolzene Werkstoffe im Gegensatz zu herkömmlich gegossenen Werkstoffen ein feinkörnigeres Gefüge. Dies führt zu einer höheren Anzahl von Korngrenzen, die Diffusionspfade für die enthaltenden Stoffe zu Schmelzpunkterniedrigung während des Lötprozesses darstellen. Es wird angenommen, dass die veränderten Diffusionsmechanismen das Lötverhalten von additiv gefertigten Werkstoffen beeinflussen.
Ziel einer durchgeführten Arbeit ist es, den Einfluss der Mikrostruktur auf das Benetzungsverhalten von Nickelbasisloten auf laserstrahlgeschmolzenem austenitischem Edelstahl 316L zu analysieren. Dazu wurden Benetzungstests mit 15 Minuten und 60 Minuten Haltezeit auf lasergeschmolzenen und konventionell gegossenen Substraten durchgeführt. Als Lote wurden für die Versuche Ni 660 (Folie/Paste), VZ2177 (Folie) und B-Ni60CrPSi (Paste) verwendet. Die Substratoberflächen wurden durch Schleifen, Aufbringen einer PVD-Schicht, Plasma und Wärmebehandlung aktiviert. Die Ausbreitungsfläche und der Benetzungswinkel der hartgelöteten Tröpfchen auf den additiv gefertigten und herkömmlichen Substraten wurden verglichen. Die Versuche zeigten eine benetzungsfördernde Wirkung der additiv erzeugten Mikrostruktur. Mögliche Gründe sind eine höhere Oberflächenenergie des Zusatzmaterials im eingebauten Zustand oder die Bildung von Mikroriefen während des Lötprozesses, die als Kapillarkanäle wirken und somit das Benetzungsverhalten verbessern.
Belastbare Fügeverbindungen durch Nickel-Nanopartikel
Nanoskalige Materialien weisen aufgrund ihres hohen Oberflächen-Volumen-Verhältnisses bemerkenswerte Eigenschaften auf. Im Hinblick auf Fügeverfahren ist die im Vergleich zu Massivmaterial geringere Schmelz- und Sintertemperatur von Nanopartikeln von besonderem Interesse. Dies bietet großes Potenzial für Fügeprozesse bei niedrigeren Temperaturen (Nanofügen), insbesondere im Vergleich zum konventionellen Löten. Benjamin Sattler, TU Chemnitz, Institut für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnik, präsentierte Untersuchungen zum Fügen mit Nanopasten, die aus Nickel-Nanopartikeln und organischen Komponenten durch ultraschallunterstütztes Dispergieren hergestellt wurden. Neben den Eigenschaften der Lösemittelsysteme und Pasten stehen dabei Verbindungsfestigkeiten bei der Anwendung auf Grundwerkstoffen auf Nickelbasis im Fokus.
-wird fortgesetzt-
