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2023<br />
Abschlussbericht<br />
DVS-Forschung<br />
Simulation und<br />
experimentelle Validierung<br />
von Eigenspannungen in<br />
lasergenerierten<br />
Composite-Werkstoffen
Simulation und experimentelle<br />
Validierung von<br />
Eigenspannungen in<br />
lasergenerierten<br />
Composite-Werkstoffen<br />
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben<br />
IGF-Nr.: 21.079 N<br />
DVS-Nr.: 06.3341<br />
BIAS - Bremer Institut für angewandte<br />
Strahltechnik<br />
Technische Universität München<br />
Forschungs-Neutronenquelle<br />
Heinz Maier-Leibnitz (FRM II)<br />
Universität Stuttgart<br />
Institut für Mechanik (Bauwesen)<br />
Lehrstuhl Data Analytics in Engineering<br />
(DAE)<br />
Förderhinweis:<br />
Das IGF-Vorhaben Nr.: 21.079 N / DVS-Nr.: 06.3341 der Forschungsvereinigung Schweißen<br />
und verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die<br />
AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)<br />
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des<br />
Deutschen Bundestages gefördert.
Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek<br />
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen<br />
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar<br />
unter: http://dnb.dnb.de<br />
© 2023 DVS Media GmbH, Düsseldorf<br />
DVS Forschung Band 575<br />
Bestell-Nr.: 170685<br />
I<strong>SB</strong>N: 978-3-96870-575-0<br />
Kontakt:<br />
Forschungsvereinigung Schweißen<br />
und verwandte Verfahren e.V. des DVS<br />
T +49 211 1591-0<br />
F +49 211 1591-200<br />
forschung@dvs-hg.de<br />
Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch die der Übersetzung in andere Sprachen, bleiben<br />
vorbehalten. Ohne schriftliche Genehmigung des Verlages sind Vervielfältigungen, Mikroverfilmungen und die<br />
Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen nicht gestattet.
Schlussbericht vom 18.08.2023<br />
zu IGF-Vorhaben Nr. 21079 N<br />
Thema<br />
Simulation und experimentelle Validierung von Eigenspannungen in lasergenerierten<br />
Composite-Werkstoffen<br />
Berichtszeitraum<br />
01.07.2020 bis 31.03.2023<br />
Forschungsvereinigung<br />
DVS – Deutscher Verband für Schweißen und verwandte Verfahren e. V.<br />
Forschungseinrichtung(en)<br />
FE1: BIAS – Bremer Institut für angewandte Strahltechnik GmbH<br />
FE2: MLZ – Heinz Maier-Leibnitz Zentrum, Technische Universität München<br />
FE3: DAE – Data Analytics in Engineering, Universität Stuttgart
Seite 7 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21079 N<br />
Inhaltsverzeichnis<br />
Zusammenfassung ........................................................................................................ 3<br />
Danksagung ................................................................................................................... 5<br />
PA-Sitzungen, Änderungen im Arbeitsplan ................................................................ 5<br />
Verwendung der Zuwendung ....................................................................................... 6<br />
Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeiten ................................. 6<br />
Schutzrechte .................................................................................................................. 6<br />
1 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung ................ 10<br />
1.1 Ausgangssituation und Forschungsanlass ....................................................... 10<br />
1.2 Stand der Forschung und eigene Vorarbeiten .................................................. 11<br />
1.2.1 Stand der Technik und Forschung ............................................................. 11<br />
1.2.2 Eigene Vorarbeiten .................................................................................... 15<br />
2 Zielsetzung und Lösungsweg gemäß Forschungsantrag ................................. 18<br />
2.1 Forschungsziel ................................................................................................. 18<br />
2.2 Lösungsweg zur Erreichung des Forschungsziels ........................................... 18<br />
3 Material und Methoden ......................................................................................... 20<br />
3.1 Werkstoffe ........................................................................................................ 20<br />
3.2 Laserdispergieren ............................................................................................. 21<br />
3.2.1 Prozesstechnik ........................................................................................... 21<br />
3.2.2 Thermographische Auswertung ................................................................. 23<br />
3.2.3 Werkstoffcharakterisierung ........................................................................ 25<br />
3.2.4 Verzugsmessungen ................................................................................... 26<br />
3.3 Diffraktometrie .................................................................................................. 27<br />
3.3.1 Probenherstellung ...................................................................................... 27<br />
3.3.2 Synchrotrondiffraktometrie ......................................................................... 27<br />
3.3.3 Neutronendiffraktometrie ............................................................................ 28<br />
3.4 Simulationsmodell ............................................................................................ 29<br />
3.4.1 Identifikation & Modellierung des Repräsentativen Volumen-<br />
Elements (RVE) ......................................................................................... 29<br />
3.4.2 Modellierung des Konstitutivverhaltens der Einzelphasen (AP<br />
3.2) ............................................................................................................. 30<br />
3.4.3 Vorhersage der linearen thermo-mechanischen Eigenschaften<br />
(AP 3.3) ...................................................................................................... 31
Seite 8 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21079 N<br />
3.4.4 Homogenisiertes thermo-mechanisches Modell zur<br />
Eigenspannungsvorhersage (AP 3.4) ........................................................ 33<br />
3.4.5 Simulation einer Verschleißschutzschicht (AP 6) ....................................... 37<br />
4 Ergebnisse ............................................................................................................. 40<br />
4.1 Materialcharakterisierung ................................................................................. 40<br />
4.2 Konfiguration der Eigenspannungsbestimmung ............................................... 41<br />
4.3 Simulationsmodell ............................................................................................ 44<br />
4.4 Prozessentwicklung Laserdispergieren in Kupfer ............................................. 50<br />
4.4.1 Adaption Prozesstechnik ............................................................................ 50<br />
4.4.2 Einfluss der Prozessparameter auf das MMC-Gefüge ............................... 56<br />
4.4.3 Einfluss der Prozessparameter auf die Temperaturhistorie ....................... 59<br />
4.5 Eigenspannungsbestimmungen in MMC-Schichten ......................................... 67<br />
4.5.1 Werkstoffsystem WSC/Cu .......................................................................... 68<br />
4.5.2 Werkstoffsystem WSC/CuAl....................................................................... 68<br />
4.6 Eigenspannungsvorhersage ............................................................................. 72<br />
4.7 Ergebnistransfer und Funktionsmuster ............................................................. 76<br />
4.7.1 Ergebnistransfer auf das Werkstoffsystem WSC/CuBe2 ........................... 76<br />
4.7.2 Funktionsmuster ......................................................................................... 86<br />
5 Handlungsempfehlungen ..................................................................................... 88<br />
5.1 Simulationsmodell ............................................................................................ 88<br />
5.2 Laserdispergieren ............................................................................................. 88<br />
6 Gegenüberstellung der Ergebnisse mit der Zielsetzung gemäß Antrag und<br />
Schlussfolgerungen aus den Forschungsergebnissen ..................................... 92<br />
6.1 Laserdispergieren ............................................................................................. 92<br />
6.2 Diffraktometrie .................................................................................................. 93<br />
6.3 Simulationsmodell ............................................................................................ 93<br />
7 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der<br />
FuE-Ergebnisse für KMU, innovativer Beitrag und industrielle<br />
Anwendungsmöglichkeiten ................................................................................. 95<br />
8 Publikationen im Rahmen des Vorhabens .......................................................... 97<br />
8.1 Bisherige Veröffentlichungen zu den Forschungsergebnissen ......................... 97<br />
8.2 Geplante Veröffentlichungen ............................................................................ 97<br />
9 Plan zum Ergebnistransfer in die Wirtschaft ...................................................... 99<br />
9.1 Durchgeführte Transfermaßnahmen ................................................................ 99
Seite 9 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21079 N<br />
9.2 Geplante Transfermaßnahmen ...................................................................... 102<br />
9.3 Einschätzung der Realisierbarkeit des Transferkonzepts ............................... 103<br />
10 Literaturverzeichnis ............................................................................................ 105
Seite 10 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21079 N<br />
1 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung<br />
1.1 Ausgangssituation und Forschungsanlass<br />
Die Forderung nach Erhöhung der Produktivität und des Durchsatzes sowie der damit<br />
verbundenen Verwendung von leistungsfähigeren Maschinen führt zu ständig wachsenden<br />
Anforderungen an die eingesetzten Werkstoffe. Dabei spielt die Auswahl von geeigneten<br />
Verschleißschutzschichten und deren Herstellungsprozessen eine wichtige Rolle.<br />
In Bereichen, bei denen Ausfallzeiten zu drastischen Kosten führen, kann durch Steigerung<br />
der Standzeit eine deutliche Reduzierung der Betriebskosten erzielt werden [Sch00].<br />
Auch volkswirtschaftliche Ziele wie beispielsweise die Ressourceneffizienz und der Klimaschutz<br />
profitieren von der Entwicklung verbesserter Verschleißschutzschichten. In den<br />
Industrieländern entstehen durch Verschleiß schätzungsweise Verluste zwischen 2 %<br />
und 7 % des Bruttosozialprodukts [N.N]. Dies entspricht einem Einsparpotenzial in Höhe<br />
von bis zu 200 Mrd. Euro im Jahr 2016 in Deutschland [N.N23].<br />
Zur Behebung dieses erkannten Problems auf Seiten der Wirtschaft eignen sich MMC-<br />
Beschichtungen, die die besondere Eigenschaft besitzen, direkt an den Anwendungsfall<br />
angepasst werden zu können [Kai03]. Als MMC (engl. metal matrix composite) wird ein<br />
Verbundwerkstoff bezeichnet, der aus einer metallischen Matrix und einer verstärkenden<br />
(meist keramischen) Phase besteht. Bei dieser Werkstoffkombination können anteilig die<br />
Eigenschaften der einzelnen Komponenten wiedergefunden werden. Trotz der vorteilhaften<br />
Eigenschaften von MMCs und einigen erfolgreichen Applikationen konnten sich<br />
MMCs noch nicht in Großserienprodukten durchsetzen. Grund dafür ist die anspruchsvollere<br />
Herstellung und die damit verbundenen höheren Kosten [Ulr12]. Neue Technologien<br />
wie beispielsweise das Laser-Pulver-Auftragschweißen oder das Laserdispergieren<br />
stellen diesbezüglich neue Lösungen dar. Diese Prozesse zeichnen sich zum einen durch<br />
eine Near-Net-Shape Fertigung aus, was einen geringeren Nachbearbeitungsaufwand<br />
als Vorteil mit sich bringt, siehe Bild 1.<br />
Bild 1<br />
a) Herstellung von Schichten mittels Laser-Pulver-Auftragschweißen [Zik16], b) Gefüge einer<br />
Laser-Pulver-Auftragschweißung mit NiBSi + 60 % WSC [Sch16], c) Verschleißschutz von<br />
Non-Mag-Stabilisatoren in der Erdöl-Industrie [Sch16]<br />
Zum anderen besteht beim Einsatz von Lasertechnik der große Vorteil des geringen<br />
Energieeintrags. Dies minimiert das Risiko für Verzug und auch die thermische Belastung<br />
für das gesamte Bauteil [Met08].
Seite 11 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21079 N<br />
Die unterschiedlichen Phasen von MMCs besitzen jedoch unterschiedliche thermische<br />
Ausdehnungskoeffizienten, was zu unerwünschten Eigenspannungen beim Abkühlen<br />
führt. Untersuchungen zur Eigenspannungsbestimmung mittels Neutronenbeugung haben<br />
gezeigt, dass sich in der keramischen Phase Druck- und in der metallischen Phase<br />
Zugeigenspannungen ausbilden [Ulr12].<br />
1.2 Stand der Forschung und eigene Vorarbeiten<br />
1.2.1 Stand der Technik und Forschung<br />
1.2.1.1 MMC-Schichten<br />
MMCs eigen sich als Verschleißschutzschichten, da sie die Kombination von Eigenschaften<br />
bieten, die für diese Anwendung erforderlich sind. Sie kombinieren die Härte der Partikel<br />
und die Duktilität der metallischen Matrix. So weisen z.B. Wolframschmelzkarbide<br />
(WSC) eine Härte von bis zu 3000 HV auf. Somit wird u.a. ein Ausfurchen der Schicht<br />
verhindert und das verarbeitende Gut gleitet ab. Der im Vergleich dazu zähe Matrixwerkstoff<br />
ist in der Lage, Spannungsspitzen durch duktile Mikroverformungen abzubauen und<br />
verhindert so die Entstehung von Rissen. Die Dicke solcher Schichten kann mehrere Millimeter<br />
betragen [Mol07].<br />
MMC-Werkstoffe kommen immer dann zum Einsatz, wenn konventionelle Werkstoffe den<br />
Anforderungen des Verschleißschutzes nicht mehr genügen und deshalb nicht mehr zur<br />
Lösung eines Problems beitragen [Kai03]. MMCs mit Partikelverstärkung besitzen weitgehend<br />
isotrope Eigenschaften, wobei überwiegend keramische Partikel verwendet werden.<br />
Eingesetzt werden MMCs u.a. im Automobilbau und im Schienenfahrzeugbau, z.B.<br />
für Bremsen, oder in der Elektroindustrie beispielsweise bei Elektroden und Kontakten<br />
[Nes12]. MMCs mit WSC verstärkt finden z.B. Anwendungen bei Pressschnecken in der<br />
keramischen Industrie (Ziegelindustrie), bei Stabilisatoren in der Erdöl-Industrie und bei<br />
Schaufelkomponenten von Schaufelradbaggern im Bergbau [Sch00; Sch02; Sch16].<br />
Während des Fertigungsprozesses von MMCs können Temperaturen höher 1000°C entstehen.<br />
Beim Abkühlen kann es dazu kommen, dass große Spannungen im Material induziert<br />
werden [Sur93]. Bei der Herstellung von MMCs durch Laserbearbeitung sind zwei<br />
wesentliche Ursachen für die Entstehung von Eigenspannungen verantwortlich. Zum einen<br />
sind es die hohen Temperaturgradienten, die während der Bearbeitung durch den<br />
Laser in der Prozesszone entstehen und zum anderen die unterschiedlichen thermischen<br />
Ausdehnungskoeffizienten der Metallmatrix und der keramischen Partikel. Die unterschiedlichen<br />
Ausdehnungskoeffizienten der beiden Phasen können beim Abkühlen Eigenspannungen<br />
hervorrufen. Zu den Temperaturgradienten beim Prozess kommt noch<br />
das wiederholte Aufschmelzen der benachbarten Spuren beim Beschichtungsprozess,<br />
sodass ein Spannungsaufbau entsteht [Vre01; Mol07]. Anschließend liegen in der Regel<br />
in den Partikeln Druckeigenspannungen und in der Matrix Zugeigenspannung an [Vre01;<br />
Ulr12; Kac16].<br />
Durch Belasten einer eigenspannungsbehafteten MMC-Schicht können Spannungsspitzen,<br />
z.B. bedingt durch Kerben von der Werkstückgeometrie, zu Rissen führen. Dies wiederum<br />
kann ein Ablösen der Partikel von der Matrix hervorrufen oder einen Sprödriss
Seite 12 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21079 N<br />
durch die Partikel verursachen [Vre01]. Eine weitere Ursache für die Rissentstehung können<br />
Partikelcluster sein: Aufgrund der dort fehlenden metallischen Matrix im Cluster, tritt<br />
lokal eine erhöhte Werkstoffsprödigkeit auf. Dadurch kann es schon bei niedrigen Beanspruchungen<br />
zu Schädigungen kommen. Die Wachstumsgeschwindigkeit von Rissen<br />
wird bei MMCs gegenüber konventionellen hochharten spröden metallischen Verschleißschutzschichten<br />
verringert. Grund dafür sind die Duktilität der Matrix und Bruchverzweigungen,<br />
sodass das Risswachstum teilweise gestoppt oder umgelenkt wird [Ulr12].<br />
Um Verschleißschutzschichten mit höchster Standzeit bzw. minimierter Rissneigung herstellen<br />
zu können, ist es von hoher Wichtigkeit, Beschichtungen mit optimalen Eigenspannungszuständen<br />
herzustellen. Ferner besteht neben einer angepassten Prozessführung<br />
die Möglichkeit, Risse in der aufgetragenen MMC-Schicht durch Vorwärmen oder<br />
Verwendung einer Pufferschicht zu vermeiden [Leu15].<br />
1.2.1.2 Strukturmechanische Simulation von Metall-Matrix-Compositen<br />
MMCs weisen im Allgemeinen geometrisch komplexe Mikrostrukturen auf. Je nach Werkstoff<br />
kann die Mikrostruktur vom Herstellungsprozess beeinflusst werden. Vor-versuche<br />
am BIAS haben ergeben, dass beim Laserdispergieren von WSC mit sphärischer Morphologie<br />
die Partikelgeometrie erhalten bleibt [Fre16]. Bildgebende Verfahren zur Erfassung<br />
der mikrostrukturellen Geometrie und ihrer statistischen Eigenschaften sind beispielsweise<br />
durch optische Aufnahmen an metallografischen Schliffen (2D) oder zerstörungsfreie<br />
Röntgen- oder Neutronentomographiemessungen (3D) gegeben. Basierend<br />
darauf ist die 3D Modellierung und Finite Element (FE) Simulation zur gezielten Untersuchung<br />
von MMCs geeignet [Cha04; Cha06]. Für allgemeine Anforderungen, beispielsweise<br />
für die Untersuchung der chemischen Eigenschaften, wurde eine Strategie zur<br />
Identifikation geeigneter Mikrostrukturvolumenelemente von [Ech14] untersucht. Unter<br />
Einbeziehung von Mikrostrukturdaten wurden von [Sop03] Simulationen am Beispiel von<br />
Al/Al2O3 durchgeführt. Dabei wurde gezeigt, dass sich durch die Abkühlung Zugeigenspannungen<br />
in der metallischen Matrix einstellen können. Diese können insbesondere<br />
an Grenzflächen zur Schädigungsinitiierung beitragen. Numerische Untersuchungen der<br />
Partikelgeometrie in 2D Simulationen haben weiterhin gezeigt, dass sphärische Partikel<br />
erheblich kleinere Spannungsspitzen aufweisen, als eckige Partikel [Sch03; Cha04]. Zusätzlich<br />
wurden von [Sch03] die Effekte durch Partikelcluster gezielt untersucht. Dabei<br />
wurde beobachtet, dass die Versagenswahrscheinlichkeit durch Partikelcluster erhöht<br />
wird. Diese Beobachtungen wurden von anderen Autoren für ähnliche Materialsysteme<br />
bestätigt z.B. [Bal08; Lia17]. Mit Hilfe von Mikrostrukturaufnahmen und darauf basierenden<br />
thermo-elastischen 2D Simulationen wurden Eigen-spannungen in MMC Randschichten<br />
mit TiC Partikeln von [Gol97] untersucht, indem eine elastische Abkühlung von<br />
1000 Kelvin simuliert wurde. Dabei wurden lokal hohe Spannungen beobachtet, die eine<br />
Berücksichtigung von thermo-plastischen Effekten notwendig machen.<br />
Neben der Möglichkeit der Simulation auf Realdaten können Mikrostrukturmessungen für<br />
viele Werkstoffsysteme genutzt werden, um statistische Parameter zu erfassen und damit<br />
stochastische Mikrostrukturmodelle herzuleiten [Ohs00; Ohs09]. Dadurch lassen sich periodische<br />
und synthetische Mikrostrukturen realisieren, die für die FE Simulation und Ho-
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