Einfluss von Überdeckungsgrad, Einstrahlwinkel und Strahlmittel auf die Schwingfestigkeit von Ti-6Al-4V beim Verfestigungsstrahlen

Fuhr, Jochen P.

In der vorliegenden Arbeit wurde systematisch die Auswirkung der Variation von Überdeckungsgrad, Einstrahlwinkel und Strahlmittel auf das Ermüdungsverhalten von zwei Arten von Ermüdungsproben aus der Legierung Ti-6Al-4V untersucht. Hierbei wurden drei in der Industrie für das Verfestigungsstrahlen von diesem Werkstoff häufig verwendete Strahlmittelsorten (ASR110, ASH110, SCCW14) verwendet. Bei der Variation sowohl des Überdeckungsgrades (20/100/1200 %) als auch des Einstrahlwinkels (30/45/60/90º) wurde darauf geachtet innerhalb der für das Kugelstrahlen von Luftfahrtbauteilen zulässigen Grenzwerte für das Verfestigungsstrahlen zu bleiben. Während die Untersuchungen bezüglich des Deckungsgradeinflusses an Umlaufbiegeproben durchgeführt wurden, kamen bei den Versuchen in Hinsicht auf den Einfluss des Einstrahlwinkels Wechselbiegeproben zum Einsatz. An beiden Typen von Ermüdungsproben wurden die Auswirkungen des Verfestigungsstrahlens auf die Rauigkeit bzw. Oberflächentopographie, den randschichtnahen Bereich, die Eigenspannungen und die Schwingfestigkeit hin untersucht. Neben den zuvor angeführten Strahlvariablen (Strahlmittel, Deckungsgrad, Einstrahlwinkel) wurde die Strahlintensität – soweit möglich - in allen untersuchten Fällen konstant bei 0,20 mmA gehalten. Diese Vorgabe hatte zur Folge, dass insbesondere bei den Versuchen mit unterschiedlichem Einstrahlwinkel die Strahlmittelgeschwindigkeit mittels Luftdruck angepasst wurde, um das annähernd gleiche Niveau der Strahlintensität zu gewährleisten. Alle Untersuchungen mit unterschiedlichen Strahlmitteln, Einstrahlwinkeln und Überdeckungsgraden an Umlauf- und Wechselbiegeproben haben den lebensdauererhöhenden Effekt einer kontrollierten Kugelstrahlbehandlung bei Überdeckungen ≥100 % nachgewiesen. Bei den Versuchen an den Umlaufbiegeproben stellte sich heraus, dass Überdeckungsgrade mit 20 % in nahezu allen Fällen zu einem Abfall der Schwingfestigkeit gegenüber dem unbehandelten Ausgangszustand führten. Die höchsten Steigerungen der Schwingfestigkeiten an den Umlaufbiegeproben zeigten tendenziell die mit hoher Überdeckung (1200 %) und hartem Strahlmittel (SSCW14, ASH110) behandelten Proben. An den Wechselbiegeproben offenbarten die mit flachem Einstrahlwinkel (30º, 45º) und hohen Überdeckungsgraden behandelten Proben deutlich höhere Schwingfestigkeiten als die unter 90º bei gleicher Intensität kugelgestrahlten Vergleichsmuster. Dieses Ergebnis ist umso bemerkenswerter, als die mit flachem Einstrahlwinkel gestrahlten Proben die höchsten Rauigkeiten und darüber hinaus bereits deutlich sicht- und messbare Welligkeiten an der gestrahlten Oberfläche zeigten. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass bei den hier überprüften Strahlparametern der Einfluss der eingebrachten Druckeigenspannungen und die Erhöhung der Versetzungsdichte wesentlichen Einfluss auf die Erhöhung der Schwingfestigkeit von Ti-6Al-4V nehmen. Die Versuche mit flachem Einstrahlwinkel bei konstanter Strahlintensität resultieren in zusätzlichen gerichteten oberflächennahe Deformationen, die in Ihrer Ausprägung eventuell eine weitere – aber noch näher zu untersuchenden - Erhöhung des Widerstandes gegenüber der Rissausbreitung und damit auch der Schwingfestigkeit darstellen. Nahezu keinen Einfluss auf die Lebensdauer nahm bei allen Versuchen die deutlich veränderte Oberflächentopographie bzw. Rauigkeit nach dem Verfestigungsstrahlen gegenüber dem Eingangszustand.

Within this work the effect of variation in shot peening coverage, impingement angle and shot materials on the high cycle fatigue performance of two different fatigue probes - both made of the same alloy Ti-6Al-4V - was methodical investigated. Three typically used shot types (ASR110, ASH110, SCCW14) for treating this kind of alloy by shot peening in the industry have been used. Within the variation of peening coverage (20/100/1200 %) and impingement angle (90/60/45/30º) the limitations for those have been kept to the approved limitations of the aerospace industry. For the investigation of the peening coverage rotating-bending and for the impingement-angle alternating bending fatigue samples have been used. On both types of probes the effect of shot peening in terms of surface roughness and topography, the close surface area, the residual stress and the cyclic fatigue performance was investigated. Beside the before mentioned shot peening parameters the targeted peening intensity for all investigated configurations was 0,20 mmA. Due to this target intensity especially during the impingement angle investigations the air pressure for acceleration of the shot must be adjusted to keep the peening intensity to the required level. All related investigations with different shot types, impingement angles and coverages on the rotating-bending and alternating-fatigue samples have confirmed the life time increasing effect of a controlled shot peening operation at a coverage of ≥100 %. During the research on the rotating-bending fatigue samples it was found that in nearly all cases a coverage with 20 % results in a reduction of cyclic fatigue strength. The highest increase in cyclic fatigue strength on the rotating-bending fatigue samples tended to show the versions treated with high coverages (1200 %) and hard shot types (SSCW14, ASH110). On the alternating-bending fatigue probes the variations with small impingement angles (30º, 45º) and high coverages showed significantly higher cyclic fatigue results in comparison to the same samples treated under 90º at the same peening intensity. This result is even more interesting as the samples treated with small impingement angles showed the highest roughness values and a visible surface waviness. The current investigation shows that by using the before described shot peening parameters the resulting residual compressive stress and the increase in dislocation density in the close surface area are the main factors for improvement of the cyclic fatigue performance of shot peened Ti-6Al-4V alloys. The trials with small impingement angles at constant peening intensity are resulting in an directed deformation of the material in the close surface area, which possibly – this effect must be further investigated - provides a further resistance against the crack propagation and by that results in an additional increase in the overall fatigue strength. Nearly no influence was seen by the significantly increased respectively changed surface roughness and topography on the life time by shot peening within this thesis.

Vorschau

Zitieren

Zitierform:

Fuhr, Jochen: Einfluss von Überdeckungsgrad, Einstrahlwinkel und Strahlmittel auf die Schwingfestigkeit von Ti-6Al-4V beim Verfestigungsstrahlen. 2017.

Zugriffsstatistik

Gesamt:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:
12 Monate:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:

Grafik öffnen

Rechte

Nutzung und Vervielfältigung:

Export