Kristallstruktur und Mikrostruktur

Teil II

Vorlesung 3

2

Teil II

1 Erstarrung - Grundlagen

2 Erstarrung/ - Wachstum/ Gefüge (Mikrostruktur)

3 Praktische Beispiele: Schweißen und thermisches Spritzen

4 Texturanalyse

3

ErstarrungsvorgängeTechnische Anwendungen

SchweißenUnter „Schweißen“ versteht man die Verbindung von

Werkstücken unter der Verwendung von Hitze. Die Wärmequelle

ist ein Lichtbogen, der zwischen der Schweißelektrode

und dem Werkstück erzeugt wird.

Cladding (Auftragschweißen)

Unter ‘Cladding’ versteht man die Auftragung von

aufgeschmolzenem Metall auf eine Metalloberfläche.

Die Wärmequelle ist ein Laser.

Thermisches SpritzenUnter ‘thermisches Spritzen’ versteht man verschiedene

Verfahren in den aufgeschmolzene Partikeln auf eine Oberfläche

aufgeschleudert werden. Die Partikel erstarren schnell und bilden

eine Schicht.

4

ErstarrungTechnische Anwendungen

Vorgang maximale Temperatur Vorgänge______________

Löten ≤ 450 oC Schmelzen

Schweißen 5500 – 6000o C Schmelzen

Spritzen 10000 – 20000 oC Schmelzen und Verdampfung

5

Schweißen

Arten von Schweißen:

Fusion (Schmelz)–Schweißen

Festkörper-Schweißen

Explosion-Schweißen

Schmelz-Schweißen

Elektroschweißen

(Lichtbogenhandschweißen)

Schutzgas-Schweißen

[Wolfram Inert Gas (WIG, TIG) Schweißen]

Strömstärke

Spannung

6

Schweißen

2

1

1 Elektrodenkernstab

2 Elektrodenumhüllung

3 Schmelztropfen

4 Gase

5 flüssige Schlacke

6 verfestigte Schlacke

7 abgekühlte Schweißgut

8 flüssige Schmelze

9 Lichtbogen

10 Werkstück

-

7

SchweißenSchutzgas-Schweißen, WIG

Füllerstab

Lichtbogen

W-Elektrode

Schutzgas

Schmelze

8

Vergleich von Lichtbogen- und Schutzgas-Schweißen

Typische Anwendungen

‚Nachteile‘

Umhüllungsmaterial

Easterling (2009)

9

SchweißenEigenschaften der Schmelze

Temperaturgradienten

Gradienten der Zusammensetzung

Schmelz- und Gasturbulenzen

Wärmefluxgleichung

DT = 2lV∂T/∂(x-Vt) (1)

Lösung für eine dünne Plate:

x = x – Vt; V – Geschwindigkeit des Bogens

r2 = x2 + y2 + z2

q – Wärmequelleflux [kJ/s]

T ~ To + q(v/l)exp(vx/a)cos(u+p/4)/u (2)

u = Vr/2a

l – thermische Leitfähigkeit

a = l/Cp – thermische Diffusivität

10

SchweißenEigenschaften der Schmelze

Wärmequelle

Die Form und die Größe der flüssigen

Schmelze hängt stark von der Schmelzdiffuisivität

(a = l/Cp) ab.

a = 10x10-5 m2/s

a = 9x10-6 m2/s

a = 5x10-6 m2/s

Easterling (2009)

11

SchweißenEigenschaften der Schmelze

Stahl, q = 3.1 kJ/s, Dicke = 3mm

größere Schweißgeschwindigkeiten führen zu kleineren Schmelzpools

thermische Isotherme

Lichtbogen-Position

12

SchweißenKristallwachstum

Liquidus# Maximale Unterkühlung DTmax ┴ dem Liquidus

# Die Kristallwachstumsgeschwindigkeit

V ~ DT (Vorlesung 2)

# Der Lichtbogen (Liquidus) bewegt sich mit

Geschwindigkeit v;

# Bedingung für die maximale

Kristallwachstumsgeschwindigkeit R:

R = vcos(Q*)

Q* ~ 0o schnelles Wachstum

große Körner

Q* ~ 90o langsames Wachstum

kleine Körner

Abb. 2

Abb. 1

Easterling (2009)

13

SchweißenKristallwachstum

Änderung der Form der Isothermen mit der Position (Zeit)

Easterling (2009)

14

SchweißenGefüge

Gefüge sind abhängig von:

- Temperatur-Zeit Verlauf, z.B.

Werkstückdicke, Schweißverfahren,

Schweißparameter; Geschwindigkeit der

Wärmequelle

- Art des Nahtaufbaus, z.B.

Ein- oder Mehrlagentechnik

- Chemische Zusammensetzung des

Grund- und Zusatzwerkstoffes

Werkstückränder

15

SchweißenGefüge

Ni , WIG (kleine Schweißgeschwindigkeit)

Stahl, Submurged arc welding (größere

Schweißgeschwindigkeit)

Esterling (2009)

16

SchweißenErstarrung

Heterogene Erstarrung an der Metalloberfläche:

DG*het = DG*hom S(Q)

S(Q) = (2 + cosQ)(1 – cosQ)2/4

Q

17

In der Vorlesung KM_II_1 Youngsche Gleichung: gML = gSM + gSL cos(Q)

# TOberfläche ~ TLiquidus ;

# die Zusammensetzungen der Schmelze und des Basismetalls sind fast identisch →

gML ~ gSL und gSM ~ 0. Nach der Youngschen Gleichung:

cos(Q) ~ 1 und Q ~ 0 Grad. Q → 0 S(Q) → 0

DGhet* = DGhom* S(Q) → 0

Praktisch keine Energiebarriere für Erstarrung;

SchweißenErstarrung

18

Schweißen Kristallwachstum und Segregation

Schnelle Bewegung des Lichtbogens (cm/min) → die Schmelze ist nicht im

Gleichgewicht →

Entwicklung von Konzentrationsgradienten, Segregation und konstitutionelle

Unterkühlung

Esterling (2009)

19

Thermisches SpritzenDas Prinzip

Brenner Transport Substrat oder Bauteil

# Zufuhr vom Pulver (Suspension)

# Zufuhr von Energie in den Brenner

# vollständiges (oder partiales) Aufschmelzen des Materials

# Beschleunigung der Tröpfchen (Partikeln) mit Hilfe von Gasen

# Aufprall der Partikeln (Tröpfchen) auf das Substrat

# Erstarren → Schichtbildung

Gasstrahl

Material

Energie-Quelle

20

Thermisches SpritzenDas Prinzip

Eín TriplexPro 200 APS-Brenner von Sulzer Metco im Betrieb im IEK-1, FZJ

21

Thermisches SpritzenVerfahrenvarianten

Energiequelle:

Plasma

Lichtbogen

Brenngasflamme

22

Thermisches SpritzenVerfahrenvarianten

Drahtspritzen

• Metalle/Legierungen in Drahtform

• sehr geringe Partikelgeschwindigkeiten

Plasmaspritzen

• hohe Plasma-Temperaturen (> 4500°C)

• hauptsächlich für Oxidkeramiken

• in der Luft oder im Vakuum

Überschall-Flammspritzen

• mittlere Flammtemperaturen (3000°C)

• Überschall-Geschwindigkeiten

• Cermets (Hartstoffe) und Metalle

23

PlasmaspritzenBrenner

APS – Atmosphärisches Plasmaspritzen in der Luft

VPS – Vakuumplasmaspritzen im Vakuum

LPPS - Low Pressure Plasmaspritzen im Hoch-Vakuum

Prozessgas: Ar, N2, He oder eine Mischung

Pulverdüse

Lichtbogen

24

PlasmaspritzenEinflussfaktoren

M. Boulos, P. Fauchais, E. Pfender

Thermal Plasmas, Fundamentals and Applications

Plenum Press, NY, 1994

25

Low Pressure Plasma Spraying

Multicoat® (Sulzer Metco) O3CP Brenner

Netto Leistung 45 – 55 kW

Die Vakuumkammer

Vakuumpumpen

Das Kommandpult

Probehalter

26

Low Pressure Plasma Spraying

Die Enthalpie verschiedener Plasmagasen

El. Leistung P = IU

27

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.810000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

En

thalp

y (

kJ/k

g)

Mole Fraction He

Enthalpie von Ar-He Plasma

Low Pressure Plasma Spraying

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

10

20

30

40

50

60

70

Th

erm

al

Co

nd

ucti

vit

y (

mW

/cm

.K)

Mole Fraction He

P = 2 mbar

Thermische Leitfähigkeit l

Zotov (2010)

Der Wärmeübetragungskoeffizient

h ~ 2l/Dp,

28

Low Pressure Plasma Spraying

Plasmatemperaturen

parallel zum Strahl

senkrecht zum Strahl

G. Mauer et al, J. Thermal Spray, 20 (2011) 391

29

Plasmaspritzen

Zustand der ‚Partikeln‘

# nicht-aufgeschmolzene Pulverpartikeln

# geschmolzene Partikeln

# kleine atomare Cluster

# neutrale Atome

# ionisierte Atome

Brennerleistung

Gas-Mischung

Abstand Brenner – Substrat

Vakuum

Al2O3/TiO2

Hö

her

Vak

uu

m

30

Plasmaspritzen

Gasgeschwindigkeit

(1) Vg ~ (T)½ /Mg ; Mg – gemittelte Molarmasse des Gases

(2) Vakuum

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.02000

2500

3000

3500

4000

4500

5000 Zotov

Qunbo (2010)

Max G

as S

peed

(m

/s)

Mole Fraction He

Kim et al., IEEE (1995)

31

PlasmaspritzenPartikelauftreffen auf das Substrat

Aufprall laterales Schmelzefliesen Erstarrung

Pancake Form(Splats)

Höhe Partikelgeschwindigkeit

Wärmeabfuhr durch des Substrat

32

PlasmaspritzenSplats

Al2O3 Splats/ 1040 Stahl-Substrat

Chandra & Fauchais (2009)

D

d

Die Abflachung des Splats:

x = D/d;

für geschmolzene Partikeln

x 4~ r VP DP/hL

33

PlasmaspritzenPartikelauftreffen auf das Substrat

‚niedrige‘ Partikelgeschwindigkeit

Abscheiden

kugelförmige Partikeln auf der Oberfläche

einer Schicht

34

PlasmaspritzenErstarrung-Vorgänge

• amorphe Splats hohe Partikelgeschwindigkeit

hohe Gastemperaturen > Tm

+ schnelles Abkühlen

• kristalline Splatshohe Partikelgeschwindigkeit

‚niedrige‘ Gas (Partikel)-Temperaturen und

‚langsames‘ Abkühlen

35

Substrat

Splats

Nicht-geschmolzene Partikeln

auftreffende Schmelzpartikeln

PlasmaspritzenMikrostruktur der Schicht

(schematisch)

Hohlraum

36

PlasmaspritzenMikrostruktur (APS Schichten)

ZrO2

A – gute Splat-Splat Haftung

B, C – schlechte Splat-Splat Haftung

C – unvollständig aufgeschmolzene Partikeln

D – kolumnares Kristallwachstum

F, G - Spannungsrisse

37

PlasmaspritzenMikrostrukturen (LPPS Schichten)

Hohe Plasma Enthalpie

↕

Höher Verdampfungsgrad

↕

Abscheiden aus der Gasphase

poröse Schichten

niedrige Plasma-Enthalpie

hohere Plasma- (Partikel-) Geschwindigkeit

dichte Schichten

Zotov (2011)

38

PlasmaspritzenMikrostrukturen (LPPS Schichten)

Säulenartige Schichten

Abscheidung aus der Gasphase

(sehr hohe Enthalpie des Plasmas; niedrige Oberflächendiffusion)

Dichte Schichten aus feinen Splats

Abscheidung von geschmolzenen Partikeln

(‚mittlere‘ Enthalpie des Plasmas; niedrige Oberflächendiffusion)

Rekristallisierte Schicht

Abscheidung von geschmolzenen Partikeln

(‚mittlere‘ Enthalpie des Plasmas; hohe Oberflächendiffusion)