Teilprojekt B6 Lichtbogenschweißen von Titanlegierungen

Ziel des Teilprojektes B6 ist es, moderne Lichtbogenschweißverfahren als Reparaturverfahren für die Wiederherstellung beschädigter Triebwerksbauteile aus Titanlegierungen zu etablieren und damit einen Beitrag zu leisten, diese hoch beanspruchten Komponenten nach der Regeneration dem Lebenszyklus des Investitionsgutes wieder zuzuführen. Die Herausforderung besteht dabei darin, bei der Regeneration den Wärmeeinfluss durch das Schmelzschweißen durch besonders wärmearme Lichtbogenschweißverfahren, wie z.B. das MIG(ColdArc)-, das Mikroplasma- und das leistungsarme WIG(SHARC)-Schweißen, zu minimieren.

MOTIVATION UND ZIELSETZUNG

Wiederherstellung der Ausgangsgeometrie mittels Wire-and-Arc-Additive Manufacturing (WAAM)

Die schweißtechnische Aufarbeitung von Flugtriebwerken erfolgt in der Luftfahrtindustrie heute zum Teil auch durch Schmelzschweißverfahren. Das WIG Schweißen sowie strahlbasierte Verfahren, wie Laser- und Elektronenstrahlverfahren werden für die Reparatur verwendet.  Die Anwendung der Schmelzschweißtechnologie erfolgt hauptsächlich im Bereich der Fan- und Verdichtereinheiten.

Betrachtet man die Entwicklung der Reparaturtechnologie losgelöst vom gesamten Regenerationsprozess des Triebwerks, so sind mit den Strahlschweißverfahren bisher die besten Ergebnisse erzielt worden. In der gesamten Prozesskette der Regeneration des Investitionsgutes führt aber z.B. die Verwendung des Vakuum-Elektronenstrahlverfahrens zu immensen Investitions- und Fertigungskosten, welche die Reparaturkosten bis auf 65% des Neuteilpreises ansteigen lassen. Im Gegensatz dazu stehen die Lichtbogenschweißverfahren, diese sind deutlich günstiger und können somit die Reparatur attraktiv machen.

Um eine stoffschlüssige Fügeverbindung herzustellen muss ein bestimmter Mindestbetrag an Wärmeenergie ins Bauteil eingebracht werden. Diese Wärmeenergie wird durch die geringe Wärmeleitfähigkeit von 22 W/mK des Titans (Stahl ~50 W/mK, Kupfer ~401 W/mK) im Bauteil aufgestaut. Das deutliche Erwärmen des Grundmaterials in den Aufstaugebieten führt zu Gefügeumwandelungen. Das bedeutet, dass sich das Eigenschaftsprofil einer Schweißverbindung aus unterschiedlichen Bereichen ausbildet. Dabei ist die Schmelzzone (SZ) durch ein meist zur Schweißnahtmitte ausgerichtetes Erstarrungsgefüge gekennzeichnet, was sich häufig durch ein sogenanntes »overmatching« der Materialeigenschaften äußert. Dies führt zu einer höheren Zugfestigkeit bei gleichzeitiger starker Reduktion der Duktilität. In der Wärmeeinflusszone (WEZ) hingegen kommt es zum Wärmeeintrag in das Grundmaterial durch die Wärmeableitung und damit zu Rekristallisationsprozessen im Werkstoff, welcher sich im Ausgangszustand durch ein meist sehr feinkörniges Grundgefüge auszeichnet. Dieser Prozess ist mit einer Kornvergröberung verbunden, was zu einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften führt und damit den eigentlichen Schwachpunkt der Fügeverbindung ausmacht.

Für die Verbesserung der Lichtbogenschweißverfahren muss das Erstarrungsgefüges in der Schmelzzone optimiert und die Wärmeeinflusszone minimiert werden. Hierbei soll der Impf- und Flussmitteleffekt ausgenutzt werden.

Video: Patchreparaturschweißung einer Titan-Blisk

ERGEBNISSE

In der zweiten Förderperiode wurde der Impf- und Flussmitteleffekt bei Titan untersucht. Durch Anwendung der Impftechnologie sollte über heterogene Keimbildung an hochschmelzenden Partikeln und das anschließende Kristallwachstum die gerichtete Erstarrung großer Stängelkristalle unterdrückt und eine feine globulitische Kornstruktur innerhalb der Schmelzzone (SZ) eingestellt werden. Um den Teilbereich Wärmeeinflusszone (WEZ) in seiner Ausdehnung zu begrenzen, wurde ein flussmittelinduzierter Tiefschweißeffekt ausgenutzt.

Gefügeveränderung der Schmelzzone durch Impfmittel

Im oberen Bild ist links die Referenzschweißung dargestellt. Im Vergleich dazu ist rechts die geimpfte Schweißnaht dargestellt. Die Größen der SZ und WEZ sind vergleichbar. In der mit Siliziumkarbid geimpften Probe ist jedoch ein deutlich feineres Korn zu sehen. Der Impfmitteleffekt beschränkt sich deutlich sichtbar auf die SZ.

Im Bild unten ist links der Flussmitteleffekt dargestellt. In der SZ ist wieder ein grobes Korn erkennbar. Jedoch sind die Breiten der SZ und WEZ im Vergleich zur Referenz deutlich kleiner. Das Flussmittel ermöglicht die selbe Schweißnahttiefe bei deutlich geringerer Schweißleistung. Durch den Zusatz von Flussmittel kann die Streckenenergie beim Schweißen von 214 J/mm auf 90 J/mm reduziert werden. Rechts zeigt die Kombination beider Effekte. Die Effekte lassen sich zusammen nutzen. Eine deutlich kleinere SZ mit feinem Korn entsteht als Resultat. Auch die WEZ ist im Vergleich zur Referenz deutlich kleiner.

Bei der Patchreparatur ist die Schweißnaht, bzw. die WEZ der Schweißnaht die Schwachstelle der wiederhergestellten Blisk. Durch die Reduktion der notwendigen Schweißleistung bei der Verbindungsschweißung wird die Größe der WEZ reduziert. Dadurch verbessern sich die mechanischen Eigenschaften und die reparierte Schaufel hält höheren Belastungen stand.

AKTUELLE ARBEITEN UND AUSBLICK

Flussmitteleffekt einzeln und kombiniert mit Impfmitteleffekt

Die mechanischen Eigenschaften der Schweißnaht sind trotz Nutzung von Impf- und Flussmittel unterhalb der des restlichen Bauteils. Aktuell werden weitere Ansätze verfolgt, die Schweißnaht nachzubehandeln. Durch das Plasmanitrieren wird Stickstoff in das Gitter eingebracht. Dadurch entstehen Druckspannung, welche sich positiv auf die Haltbarkeit bei zyklischer Belastung auswirkt.

In der zweiten Förderperiode wurde die Reparatur mit einem Patch durchgeführt. Dafür muss die Blisk definiert abfräst und anschließend vermessen werden, das Patch gefertigt, angeschweißt und danach das die Blisk rekonturiert werden, um die gewünschte Geometrie wiederherzustellen.

Durch die Substitution der Patchreparatur mit dem Lichbogenauftragsschweißen (3D-Druck) fällt die Herstellung des Patches weg und somit ein Arbeitsschritt.


VERÖFFENTLICHUNGEN

  • Langen, D.; Maier, H. J.; Hassel, T. (2018) The Effect of SiC Addition on Microstructure and Mechanical Properties of Gas Tungsten Arc-WeldedTi-6Al-4V AlloyJournal of Materials Engineering and Performance 2018 (27) (1), 253--230
    DOI: 10.1007/s11665-017-3091-y
  • Denkena, B.; Grove, T.; Mücke, A.; Langen, D.; Nespor, D.; Hassel, T. (2017) Residual stress formation after re-contouring of micro-plasma welded Ti-6Al-4 V parts by means of ball end millingMaterials Science and Engineering Technology 2017, 1034-1039
    DOI: 10.1002/mawe.201600743
  • Bruchwald, O.; Frackowiak, W.; Reimche, W.; Maier, H. J. (2016) Applications of High Frequency Eddy Current Technology for Material Characterization of Thin CoatingsIn: Journal of Materials Science and Engineering 2016 (6), S. 185–191
    DOI: 10.17265/2161-6213/2016.7-8.001
  • Schlobohm J.; Bruchwald, O.; Frackowiak, W.; Li, Y.; Kästner, M.; Pösch, A.; Reimche, W.; Reithmeier, E.; Maier, H. J. (2016) Turbine blade wear and damage – An overview of advanced characterization techniquesMaterials Testing 58 (5), S. 389–394
    DOI: 10.3139/120.110872
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TEILPROJEKTLEITER

Dr.-Ing. Thomas Hassel
Adresse
Lise-Meitner-Str. 1
30823 Garbsen
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30823 Garbsen
Prof. Dr.-Ing. Hans Jürgen Maier

MITARBEITER

M. Sc. Torben Carstensen
Adresse
An der Universität 2
30823 Garbsen
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