SB_20979NLP
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2023<br />
Abschlussbericht<br />
DVS-Forschung<br />
Herstellung beanspruchungsgerechter<br />
Oberflächen durch<br />
Kombination innovativer<br />
additiver und abtragender<br />
Fertigungsschritte an hochbelasteten<br />
Komponenten
Herstellung<br />
beanspruchungsgerechter<br />
Oberflächen durch<br />
Kombination innovativer<br />
additiver und abtragender<br />
Fertigungsschritte an<br />
hochbelasteten Komponenten<br />
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben<br />
IGF-Nr.: 20.979 N<br />
DVS-Nr.: 01.3211<br />
Bundesanstalt für Materialforschung und -<br />
prüfung (BAM)<br />
Technische Universität Clausthal<br />
Institut für Schweißtechnik und Trennende<br />
Fertigungsverfahren<br />
Förderhinweis:<br />
Das IGF-Vorhaben Nr.: 20.979 N / DVS-Nr.: 01.3211 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 578<br />
Bestell-Nr.: 170688<br />
I<strong>SB</strong>N: 978-3-96870-578-1<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-home.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.
Inhaltsverzeichnis<br />
Inhaltsverzeichnis<br />
Inhaltsverzeichnis ........................................................................................................ 1<br />
Verwendete Formelzeichen und Abkürzungen ............................................................ 4<br />
1 Einleitung ............................................................................................................ 7<br />
2 Zielsetzung ....................................................................................................... 11<br />
2.1 Angestrebte Forschungsergebnisse .............................................................. 11<br />
2.2 Vorgehensweise zur Erreichung des Forschungszieles ................................ 11<br />
3 Stand der Technik ............................................................................................. 16<br />
3.1 Hochleistungslegierungen ............................................................................. 16<br />
3.1.1 CoCr26Ni9Mo5W ................................................................................ 16<br />
3.1.2 Ni36 ..................................................................................................... 17<br />
3.2 Fertigung ....................................................................................................... 17<br />
3.2.1 Additive Fertigung ............................................................................... 17<br />
3.2.2 Spanende Fertigung ............................................................................ 22<br />
3.2.3 Hybride Zerspanung mit geometrisch bestimmter Schneide ............... 25<br />
3.3 Fertigungseinflüsse ....................................................................................... 27<br />
3.3.1 Gefüge ................................................................................................ 27<br />
3.3.2 Wechselwirkung der additiven und abtragenden Fertigung ................. 28<br />
3.3.3 Oberflächenintegrität ........................................................................... 28<br />
3.3.4 Eigenspannungen ............................................................................... 31<br />
4 Versuchsdurchführung ...................................................................................... 35<br />
4.1 Versuchswerkstoffe ....................................................................................... 35<br />
4.2 Versuchsplanung der Schweißversuche ....................................................... 35<br />
4.3 PTA-Prozess ................................................................................................. 37<br />
4.4 PVD-Beschichtung ........................................................................................ 39<br />
4.5 MSG-Prozess ................................................................................................ 39<br />
4.6 Zerspanungsanalyse ..................................................................................... 40<br />
4.6.1 Versuchsaufbau .................................................................................. 41<br />
4.6.2 Versuchsplanung der Zerspanversuche .............................................. 42<br />
4.6.3 Zerspankraft ........................................................................................ 43<br />
4.6.4 Temperatur .......................................................................................... 44<br />
4.6.5 Eigenspannungsanalyse ..................................................................... 45<br />
4.6.6 Oszillation ............................................................................................ 46<br />
4.6.7 Werkzeugentwicklung ......................................................................... 49<br />
1
Inhaltsverzeichnis<br />
4.7 Werkstoff- und Oberflächenanalyse .............................................................. 50<br />
4.7.1 Schweißgefüge.................................................................................... 50<br />
4.7.2 Härte ................................................................................................... 51<br />
4.7.3 Oberflächenintegrität ........................................................................... 52<br />
4.8 Prozesskettenanalyse, Bauteilversuche und –prüfung.................................. 53<br />
4.8.1 Hochtemperaturstrahlverschleiß ......................................................... 53<br />
4.8.2 Pin Abrasion Testing ........................................................................... 54<br />
4.8.3 Dilatometrie ......................................................................................... 55<br />
4.8.4 Bauteilversuche ................................................................................... 56<br />
4.9 Übertragbarkeitsanalyse................................................................................ 58<br />
5 Versuchsergebnisse und Diskussion ................................................................ 59<br />
5.1 CoCr-Legierung ............................................................................................. 59<br />
5.1.1 Werkzeugentwicklung ......................................................................... 59<br />
5.1.2 Schweißergebnisse der Ausgangslegierung ....................................... 64<br />
5.1.3 Zerspanbarkeit der Ausgangslegierung ............................................... 65<br />
5.1.4 Legierungsmodifikation mittels PTA .................................................... 69<br />
5.1.5 Übertragungskonzept auf MSG-Schweißungen .................................. 75<br />
5.1.6 Legierungsmodifikation beim MSG-Prozess ....................................... 77<br />
5.2 Ni36-Legierung .............................................................................................. 83<br />
5.2.1 Schweißergebnisse der Ausgangslegierung ....................................... 83<br />
5.2.2 Zerspanbarkeit der Ni36-Legierung ..................................................... 85<br />
5.2.3 Legierungsmodifikation mittels PTA .................................................... 92<br />
5.2.4 Übertragungskonzept auf MSG-Schweißungen ................................ 100<br />
5.2.5 Legierungsmodifikation beim MSG-Prozess ..................................... 100<br />
5.3 Adaptierung der Prozesskette und Bauteilversuche .................................... 108<br />
5.3.1 Hochtemperaturstrahlverschleißprüfung an CoCr-Legierung ............ 108<br />
5.3.2 Dilatometer an Ni36-Legierung ......................................................... 109<br />
5.3.3 Pin Abrasion Testing ......................................................................... 111<br />
5.3.4 Bauteilversuche ................................................................................. 113<br />
5.4 Transferanalyse für CoCr28Mo6 und NiCr23Mo9Nb ................................... 117<br />
5.4.1 CoCr28Mo6 ....................................................................................... 117<br />
5.4.2 NiCr23Mo9Nb ................................................................................... 118<br />
5.4.3 Zerspanbarkeit der Transferwerkstoffe .............................................. 119<br />
6 Zusammenfassung, Empfehlungen ................................................................ 123<br />
7 Literaturverzeichnis ......................................................................................... 126<br />
2
Inhaltsverzeichnis<br />
8 Abbildungsverzeichnis .................................................................................... 134<br />
9 Tabellenverzeichnis ........................................................................................ 142<br />
3
Verwendete Formelzeichen und Abkürzungen<br />
Griechische Symbole<br />
α [°] Freiwinkel<br />
β [°] resultierender Winkel<br />
βk [°] Keilwinkel<br />
γ [°] Spanwinkel<br />
ϑ [-] Poissonzahl<br />
λ [°] Vorschubwinkel<br />
σmax [MPa] maximale Haupteigenspannung<br />
σx [MPa] Eigenspannung in Vorschubrichtung<br />
σy [MPa] Eigenspannung normal zur Vorschubrichtung<br />
σ45 [MPa] Eigenspannung 45° zur Vorschubrichtung<br />
τ [°] Kippwinkel<br />
6
Einleitung<br />
1 Einleitung<br />
Deutschland hat sich das Ziel gesetzt, seine Treibhausgasemissionen bis 2040 um<br />
88 % gegenüber 1990 zu reduzieren. Bis 2030 sind Emissionssenkungen um bis zu<br />
65 % angestrebt. Um diesen Forderungen gerecht zu werden, sind in der Industrie<br />
Prozessemissionen durch höhere Energie-, Rohstoff- und Materialeffizienz zu senken<br />
[1]. Bei der Umsetzung dieses Ziels sind vor allem Anlagenkomponenten kritisch, die<br />
neben korrosiven und tribologischen Beanspruchungen, insbesondere hohen<br />
thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt sind. Sowohl die Beschaffung<br />
als auch die Verarbeitung von Werkstoffen für solche kombinierten Beanspruchungen,<br />
wie Nickel- und Kobalt-Chrom-Legierungen, sind kostenintensiv. Zudem erfolgt die<br />
Fertigung dieser Bauteile vorwiegend durch KMU. Ferner führen die heutigen<br />
Bestrebungen zur Kosten- und Ressourceneffizienz zunehmend zur Leichtbauweise<br />
und so zu komplexeren Strukturen bzw. Konturen. In diesem Zusammenhang ist der<br />
Einsatz additiver Fertigungsschritte zur Reparatur von Bauteilen, zur Aufbringung von<br />
Schutzschichten oder zum Urformen ganzer Komponenten oftmals mit deutlichen<br />
ökologischen und ökonomischen Vorteilen verbunden – in manchen Fällen sogar<br />
dadurch erst wirtschaftlich [2]. Beispiele hierfür finden sich bei Komponenten im<br />
Formen-, Turbinen- oder im Anlagenbau (bspw. Rauchgasentschwefelung) [3].<br />
Darüber hinaus erfordern die meisten Anwendungsfälle aufgrund von Sicherheits-,<br />
Kosten- und Technologieaspekten eine besonders hohe Formgenauigkeit und<br />
Integrität der Bauteiloberflächen. Für die Reparatur und Herstellung hochbelasteter<br />
kostenintensiven Komponenten sind additive und abtragende Fertigungsschritte<br />
komplementär einsetzbar [4]. Im Fokus liegen besonders die Werkstoffe für<br />
Hochtemperaturanwendungen CoCr26Ni9Mo5W im Bereich Verschleißschutz und<br />
Ni36 für die Herstellung großformatiger Formen für CFK-Bauteile. Aufgrund der<br />
Bauteilgrößen und der sehr schweren Zerspanbarkeit der Verschleißschutz-Legierung<br />
hat die kombinierte additive und abtragende Fertigung für diese Anwendungsfälle ein<br />
besonders hohes wirtschaftliches Potential für KMU. Hierfür ist es aber dringend<br />
erforderlich, die Technologien gezielt aufeinander abzustimmen, um einerseits die teils<br />
komplexen Endkonturen exakt zu generieren und um anderseits<br />
beanspruchungsgerechte Funktionsflächen wirtschaftlich herzustellen. Für den<br />
ökonomischen Einsatz solcher kombinierten Verfahren bei KMU sind noch wesentliche<br />
Fragestellung zu klären [2]. Insbesondere betrifft dies die Metallurgie, die<br />
Inhomogenität und die Anisotropie der speziellen Gefüge bzw. Gefügeeigenschaften<br />
bei der Generation von Werkstoffen aus Ni- und CoCr-Legierungen. Darüber hinaus<br />
sind auch die Eigenschaftsveränderungen und Beanspruchungen in den Randzonen<br />
durch abtragende Bearbeitung dieser schwer zerspanbaren Werkstoffe von Bedeutung<br />
für die daraus resultierende Bauteilperformance, speziell beim Einsatz in<br />
hochbelasteten sicherheitsrelevanten Bauteilen.<br />
Zwar gibt es für die Kombination aus additiven und abtragenden Fertigungsverfahren<br />
schon Untersuchungen, wie in [5]. Diese basieren jedoch vornehmlich auf<br />
Lasertechnologien. Neben laserbasierten Verfahren sind für den wirtschaftlichen<br />
Einsatz schweißtechnische Prozesse mit hohen Produktions- bzw. Auftragraten und<br />
großer industrieller Verfügbarkeit wesentlich [2, 6]. So haben für KMU Erkenntnisse zu<br />
7
Einleitung<br />
pulver- und drahtbasierten Lichtbogenverfahren eine besonders wichtige Bedeutung.<br />
Ein Großteil der Erfahrungen und Anlagentechnik ist für Plasma-Pulver-<br />
Auftragschweißen (PTA, Plasma-Transferred-Arc) und MSG-Prozesse vorhanden.<br />
MSG-Prozesse zeichnen sich außer durch hohe mögliche Auftragraten durch einen<br />
sehr hohen Entwicklungsstand aus, wie den geregelten Verfahrensvarianten [7, 8].<br />
Neben dem Erreichen der mechanisch-technologischen Eigenschaften sind die<br />
Beanspruchungen im Bauteil während der additiven Fertigung zu minimieren. So<br />
haben auftretende Spannungen bzw. Eigenspannungen während und nach der<br />
Fertigung deutlich negative Einflüsse auf die Sicherheit und Integrität des Bauteils. Für<br />
die Vermeidung von Rissbildung sind möglichst geringe Zugeigenspannungen, gerade<br />
in den kritischen Bauteilbereichen, erforderlich. Zudem liegen bei der Reparatur von<br />
Bauteilen hohe Steifigkeitsverhältnisse vor, die zusätzlich zu hohen Beanspruchungen<br />
führen können. Eine Reduzierung solcher schweißbedingten Beanspruchungen ist<br />
durch die Berücksichtigung der Einspannbedingungen sowie durch adäquate<br />
Fertigungsstrategien und Wärmeführung zu erreichen, wie aktuelle Studien der BAM<br />
(FE1) belegen [9]. Des Weiteren sind für PTA- und MSG-Prozesse kommerziell<br />
Schweißzusätze als Pulver und Draht verfügbar. Diese lassen sich modifizieren<br />
(Pulverbeimengung oder Beschichtung der Drähte), um für additive Fertigungsschritte<br />
die Schmelzbadausbildung sowie Erstarrungs- und Ausscheidungsmorphologie positiv<br />
zu beeinflussen und um die Bildung von homogenen, isotropen Gefügen bzw.<br />
Eigenschaftsprofilen und geringen Bauteilspannungen zu begünstigen [10]. Die<br />
Möglichkeiten solcher Schweißzusatzmodifikationen konnten vom ISAF (TU Clausthal,<br />
FE2) in einigen Arbeiten aufgezeigt werden und sind bereits bei KMU auf großes<br />
Interesse gestoßen [11].<br />
Die schweißtechnische Generierung von Bauteilen mit höherer Auftragrate verbunden<br />
mit der Erzeugung definierter Konturen und Funktionsoberflächen bei komplexeren<br />
Geometrien benötigt in der Regel das Schlichten mit geometrisch bestimmter Schneide<br />
[2, 5, 12]. Zumeist sind die Anforderungen an die Oberflächenintegrität<br />
sicherheitsrelevanter Bauteile gerade bei den schwer zerspanbaren Werkstoffen für<br />
Hochtemperaturanwendungen sehr hoch. Dem wird heute zunehmend mit hybriden<br />
Bearbeitungsverfahren begegnet [12]. Beispielsweise hat sich beim Schleifen harter<br />
und spröder Werkstoffe, wie Glas und Keramik, eine Überlagerung der<br />
Schneidbewegung mit Ultraschalloszillation in axialer Richtung bewährt, um<br />
Prozesskräfte, Temperaturen und Werkzeugverschleiß zu minimieren und die<br />
Oberflächenqualität zu erhöhen, sodass dieses Verfahren für viele innovative<br />
Werkstoffe Stand der Technik ist. Ähnlich positive Effekte wurden für den<br />
ultraschallunterstützten Fräsprozess (US) gefunden [12]. Der Einfluss dieser<br />
Prozessvariante auf die Oberflächenintegrität schwer zerspanbarer Ni- und CoCr-<br />
Legierungen war noch nicht Gegenstand der Forschung. Aufgrund der Effekte und<br />
Wechselwirkungen auf die Oberflächen- und Bauteilintegrität der speziellen Gefüge<br />
additiv gefertigter Bauteile durch nachfolgende Zerspanprozesse sind für<br />
hochwirtschaftliche Fertigungs- und Reparaturtechnologien hochbelasteter<br />
Komponenten weiterführende Kenntnisse erforderlich [5, 13-15]. Untersuchungen<br />
hierzu gibt es bis heute nicht, sind aber dringend notwendig. Zudem sind die Reparatur<br />
und additive Fertigung unzureichend in Regelwerken und Normen berücksichtigt. Dies<br />
ist vor allem für KMU relevant. Diese finden kaum Angaben zu Reparaturkonzepten<br />
8
Einleitung<br />
oder Hinweise für eine beanspruchungsgerechte und sichere Fertigung bei minimaler<br />
schweißbedingter Beanspruchung. Dadurch ist der wirtschaftliche Einsatz dieser<br />
Fertigungsverfahren limitiert.<br />
Die angestrebten Forschungsergebnisse adressieren primär die Verarbeiter<br />
kostenintensiver Hochtemperaturwerkstoffe und dienen dem Ausgleich bestehender<br />
Wettbewerbsnachteile von KMU. In Deutschland sind 94,2 % der Betriebe für die<br />
Herstellung von Metallerzeugnissen KMU mit einer Mitarbeiteranzahl von unter 250.<br />
Diese Betriebe beschäftigen etwa 58,6 % der rund 680.000 tätigen Personen dieser<br />
Branche und erzielen 66,3 % des gesamten Branchenumsatzes von 118,2 Mrd. € [16].<br />
Die Ergebnisse lassen sich auch branchenübergreifend in einer Vielzahl von Betrieben<br />
nutzen, die mit der Reparatur von hochbelasteten Komponenten befasst sind.<br />
Typischerweise sind dies Unternehmen, besonders KMU, die im Anlagen-, Turbinenoder<br />
Formenbau angesiedelt sind. Durch die Erkenntnisse wird zudem eine<br />
Erweiterung des Anwenderkreises erreicht.<br />
In diesem Forschungsvorhaben wird untersucht, wie der wirtschaftliche Einsatz<br />
kombinierter additiver und abtragender Fertigungsschritte bei der Bauteilreparatur und<br />
-fertigung sowie beim Auftragschweißen von Schutzschichten aus kostenintensiven<br />
Hochtemperaturwerkstoffen gelingt. Analysen zur abtragenden Bearbeitung innerhalb<br />
der Prozesskette bei der Bauteilfertigung schwer zerspanbaren Legierungen erhöhen<br />
zugleich die Prozesssicherheit beim Fräsen. Dies ist gerade durch den zunehmenden<br />
Einsatz kostenintensiver hochbelasteter Komponenten hinsichtlich der Ziele zur<br />
geplanten Emissionsreduktion wesentlich. Dabei lassen sich bestehende<br />
Wettbewerbsnachteile verarbeitender Unternehmen und insbesondere von KMU<br />
infolge fehlender Forschungs- und Entwicklungskapazitäten ausgleichen. Das<br />
Vorhaben verfolgt innovative Ansätze für die additive und abtragende Fertigung, deren<br />
parallele Untersuchung Synergieeffekte zulässt. Zum einen wird mit<br />
Legierungsmodifikationen beim additiven Schweißen Einfluss auf den Prozess, die<br />
Metallurgie sowie Gefüge der Bauteile und auf nachfolgende abtragende<br />
Fertigungsschritte genommen. Ziel ist die Vermeidung der für viele Anwendungsfälle<br />
nachteiligen inhomogenen und anisotropen Werkstoffeigenschaften. Zudem lässt sich<br />
durch die Legierungsmodifikation eine erhöhte Oberflächenspannung der Schmelze<br />
erreichen und für die additive Fertigung adaptieren, um hinsichtlich Fertigungsstrategie<br />
und Lagenaufbau eine größere Bandbreite an Fertigungsfreiheitsgraden zu gestatten.<br />
Zum anderen sind durch ultraschallunterstützte Bearbeitungsverfahren gerade beim<br />
Schlichtfräsen positive Auswirkungen auf die Oberflächenintegrität und Standzeit der<br />
Werkzeuge erzielbar. Die Betrachtung der gesamten Prozesskette gestattet zudem<br />
Erkenntnisse zur Erhöhung der Bauteil- und Oberflächenintegrität. Neben dem<br />
Widerstand gegen Verschleiß und Korrosion der untersuchten Werkstoffe sind gerade<br />
die hohen thermischen und mechanischen Belastungen wesentlich, denen die<br />
sicherheitsrelevanten Komponenten ausgesetzt sind. Durch die Umsetzung der<br />
Forschungsergebnisse in technische Regelwerke, Verarbeitungsempfehlungen und<br />
durch Einbringung in die jeweiligen Normungsgremien werden nachhaltig<br />
branchenübergreifend konkrete Maßnahmen und Handlungshilfen entwickelt, um<br />
beanspruchungsgerecht additiv zu fertigen und Reparatur- sowie<br />
Auftragschweißungen durchzuführen. Dem Verarbeiter werden Handlungshilfen zur<br />
9