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Untersuchungen zum Einfluss der Mikrostruktur von Ti-6Al-4V auf das Erosionsverhalten bei
Raum- und Hochtemperatur
Franziska König1, Muhammad Naveed1, Sabine Weiß1
15.09.2015
1LS Metallkunde und Werkstofftechnik, Brandenburgische Technische Universität Cottbus-Senftenberg
2 Untersuchungen zum Erosionsverhalten von Ti-6Al-4V 2 /22 F. König
Einleitung
Erosionsuntersuchungen
Raumtemperatur Hochtemperatur
Ti-6Al-4V
Gefüge 1 Gefüge 2
3 Untersuchungen zum Erosionsverhalten von Ti-6Al-4V 3/22 F. König
Motivation
Globales Ziel: Erhöhung der Lebensdauer von Bauteilen Minimierung Wartungs- und Instandsetzungszeiten
Reduzierung der Kosten
Aktuelles Ziel: Beitrag zum Verständnis des Erosionsverhaltens von Ti-6Al-4V bei Raum- und Hochtemperatur Untersuchung des mikrostrukturellen Einflusses
4 Untersuchungen zum Erosionsverhalten von Ti-6Al-4V 4/22 F. König
Materialauswahl und Experimenteller Aufbau Grundlagen - Materialauswahl Titan zählt als Werkstoff zu den Leichtmetallen Werkstoffeigenschaften:
▫ Sehr gute Korrosionsbeständigkeit ▫ hohe spezifische Festigkeiten Anwendungsgebiete
▫ Neben Luft- und Raumfahrt auch in Medizintechnik und Automobilbau Die universelle Titanlegierung
▫ 6% Aluminium, 4% Vanadium - gute mechanische Eigenschaften Die Mikrostruktur hat großen Einfluss auf mechanisches Verhalten
▫ Einstellen dieser abhängig von Wärmebehandlung
5 Untersuchungen zum Erosionsverhalten von Ti-6Al-4V 5/22 F. König
Materialauswahl und Experimenteller Aufbau Mikrostrukturen Lamellare Strukturen steigern Bruchzähigkeiten und Widerstand
gegen Kriechen und Rissausbreitung Globulares Gefüge verfügt über Hohe Dauerfestigkeit und
Bruchdehnungen; Geeignet für superplastische Verformung Bimodale (Duplex) Mikrostrukturen bilden Kombination aus lamellarer
und globularer Mikrostruktur – Ausgeglichenes mechanisches Verhalten
6 Untersuchungen zum Erosionsverhalten von Ti-6Al-4V 6/22 F. König
Materialauswahl und Experimenteller Aufbau
Gefügeeinstellung: 2-stufige Wärmebehandlung
Duplex fein ▫ 398 HV10
Duplex grob ▫ 420 HV10
7 Untersuchungen zum Erosionsverhalten von Ti-6Al-4V 7/22 F. König
Materialauswahl und Experimenteller Aufbau
Grundlagen - Strahlverschleiß
Verschleiß von Werkstoffoberflächen durch Feststoffteilchen in ein- und mehrphasigen Gas- oder Flüssigkeitsströmen
▫ Erosionsart: Strahlverschleiß Verschleißbild wurde durch mitgeführte Partikel geprägt
▫ Im speziellen wird der Strahlverschleiß durch furchende und stoßende Partikel in einem Luftstrahl verursacht
Angewendetes Prüfverfahren: Druckluftstrahlsystem
8 Untersuchungen zum Erosionsverhalten von Ti-6Al-4V 8/22 F. König
Materialauswahl und Experimenteller Aufbau Einfluss nehmende Parameter Parametervariation
Partikelgeschwindigkeit Regelbar durch Variation des Luftdrucks (0,5 bar - 1 bar)
Partikeldurchsatz 2 g/min
Temperatur: Raum- und Hochtemperatur
Temperatur: RT = 20°C und HT= 275°C
Strahlwinkelvariation 0° - 90° Strahlwinkel: α1 = 30° und α2 = 90°
Eigenschaften von Werkstoff und Partikel
Relativ harter Werkstoff; deutlich härtere Partikel
Tieflage/ Hochlage Gesetzmäßigkeit
Verschleißhochlage
Duktiles und sprödes Materialverhalten
Duktile und spröde Erosion
9 Untersuchungen zum Erosionsverhalten von Ti-6Al-4V 9/22 F. König
Materialauswahl und Experimenteller Aufbau
Erosionspartikel Al2O3 / Korund Hart, scharfkantig Mittlere Größe 50µm Mohshärte 9 ≈ 2060 HV
10 Untersuchungen zum Erosionsverhalten von Ti-6Al-4V 10/22 F. König
Materialauswahl und Experimenteller Aufbau
Parametervariation Strahlwinkel bei 30° und 90°
Prallstrahl 90° Schrägstrahl (30°)
11 Untersuchungen zum Erosionsverhalten von Ti-6Al-4V 11/22 F. König
Materialauswahl und Experimenteller Aufbau
Technische Spezifikationen: Raum- und Hochtemperaturvariation Universell einsetzbarer Partikelförderer Abmessungen Testkabine: 1 m x 1 m x 1 m Optische Zugänglichkeit Variable Geschwindigkeitseinstellung Absauganlage mit Partikelabscheider
12 Untersuchungen zum Erosionsverhalten von Ti-6Al-4V 12/22 F. König
Ergebnisse
Parametervariation Partikelgeschwindigkeit
▫ Über Strömungsgeschwindigkeit und Luftdruck auf 0,5 und 1 bar regelbar
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 1 2 3 4 5 6 7
Strö
mun
gsge
schw
indi
gkei
t
[m/s
]
Luftdruck [bar]
bei 30 mm Rohrabstand bei 60 mm Rohrabstand im Rohr
0
0,005
0,01
0,015
0,02
0,025
0,03
0 20 40 60
Mas
seve
rlust
[g]
Zeit [min]
RT bimodal 90° 0,5 bar
RT lamellar 90° 0,5 bar
RT bimodal 90° 1 bar
RT lamellar 90° 1 bar
Fein, 0.5 bar Grob, 0.5 bar Fein, 1.0 bar Grob, 1.0 bar
13 Untersuchungen zum Erosionsverhalten von Ti-6Al-4V 13/22 F. König
Ergebnisse – Masseverlust bei Raumtemperatur Einfluss von Partikelgeschwindigkeit und Winkel bei Raumtemperatur
0
0,005
0,01
0,015
0,02
0,025
0,03
0 20 40 60
Mas
seve
rlust
[g]
Zeit [min] RT bimodal 30° 0,5 bar
RT lamellar 30° 0,5 bar
RT bimodal 30° 1 bar
RT lamellar 30° 1 bar
Fein, 0.5 bar Grob, 0.5 bar Fein, 1.0 bar Grob, 1.0 bar
14 Untersuchungen zum Erosionsverhalten von Ti-6Al-4V 14/22 F. König
Ergebnisse - Gegenüberstellung Duplex Fein und Grob bei RT Erosionsrate = Verhältnis aus Masseverlust und Strahlgutmasse
0
0,0001
0,0002
0,0003
0,0004
0,0005
0,0006
0,0007
0,0008
0 10 20 30 40 50 60
Eros
ions
rate
Zeit [min]
RT 90° 0,5 bar
RT 90° 1 bar
RT 30° 0,5 bar
RT 30° 1 bar
90°, 0.5 bar 90°, 1.0 bar 30°, 0.5 bar 30°, 1.0 bar
0
0,0001
0,0002
0,0003
0,0004
0,0005
0,0006
0,0007
0,0008
0,0009
0 20 40 60
Eros
ions
rate
Zeit [min]
RT 90° 0,5 bar
RT 90° 1 bar
RT 30° 0,5 bar
RT 30° 1 bar
90°, 0.5 bar 90°, 1.0 bar 30°, 0.5 bar 30°, 1.0 bar
Duplex Fein
Duplex Grob
15 Untersuchungen zum Erosionsverhalten von Ti-6Al-4V 15/22 F. König
Ergebnisse – Duplex grob
90°, niedrige Geschwindigkeit 90°, hohe Geschwindigkeit
30°, hohe Geschwindigkeit 30°, niedrige Geschwindigkeit
16 Untersuchungen zum Erosionsverhalten von Ti-6Al-4V 16/22 F. König
Ergebnisse
17 Untersuchungen zum Erosionsverhalten von Ti-6Al-4V 17/22 F. König
Ergebnisse - Masseverlust bei Hochtemperatur Hochtemperatur Tw = 275 °C
0
0,005
0,01
0,015
0,02
0,025
0,03
0,035
0,04
0,045
0,05
0 10 20 30 40 50 60
Mas
seve
rlust
[g]
Zeit [min]
HT bimodal 90° 0,5 bar
HT lamellar 90° 0,5 bar
HT bimodal 30° 0,5 bar
HT lamellar 30° 0,5 bar
Fein, 90°, 0.5 bar Grob, 90°, 0.5 bar Fein, 30°, 0.5 bar Grob, 30°, 0.5 bar
18 Untersuchungen zum Erosionsverhalten von Ti-6Al-4V 18/22 F. König
Ergebnisse – Raum- und Hochtemperatureinfluss Erosionsrate
0
0,0002
0,0004
0,0006
0,0008
0,001
0,0012
0 10 20 30 40 50 60
Eros
ions
rate
Zeit [min]
HT bimodal 90° 0,5 bar
HT lamellar 90° 0,5 bar
HT bimodal 30° 0,5 bar
HT lamellar 30° 0,5 bar
Fein, 90°; 0.5 bar Grob, 90°, 0.5 bar Fein, 30°, 0.5 bar Grob, 30°, 0.5 bar
19 Untersuchungen zum Erosionsverhalten von Ti-6Al-4V 19/22 F. König
Ergebnisse – Duplex grob
HT, 90°, niedrige Geschwindigkeit
HT, 30°, niedrige Geschwindigkeit
20 Untersuchungen zum Erosionsverhalten von Ti-6Al-4V 20/22 F. König
Zusammenfassung
Hochtemperatur hat signifikanten Einfluss Hohe Geschwindigkeiten hoher Masseverlust
Unterschiedliches Erosionsverhalten der Mikrostrukturen bei gleichen
Strahlwinkeln ▫ Feine Duplex Mikrostruktur weniger Widerstand bei
Schrägstrahlverschleiß ▫ Grobes Duplex Gefüge weniger Widerstand bei Prallstrahlverschleiß
21 Untersuchungen zum Erosionsverhalten von Ti-6Al-4V 21/22 F. König
Ausblick
Maximierung der Hochtemperatur Einflussgrenze Noch höhere Geschwindigkeiten (Anwendungsnah)
Mikrostrukturdesign (Lamellar, Globular) Duplex Spezifische Charakterisierung der Erosionsmechanismen
Variation der Partikeleigenschaften
Ich bedanke mich für Ihre
AUFMERKSAMKEIT!
Untersuchungen zum Erosionsverhalten von Ti-6Al-4V F. König
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