Entwicklung eines alternativen Konzeptes zur Legierungsentwicklung von Schweißzusatzwerkstoffen mittels PVD Dünnfilmbeschichtung
Ein stetig wachsendes Interesse an der Anwendung additiver Fertigungsverfahren resultiert in der Notwendigkeit angepasste Zusatzwerkstoffe zu entwickeln. Im Fall der drahtbasierten additiven Fertigung, dem Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM), ergibt sich das Problem, dass ein Massivdraht aus einer Metallschmelze entsteht. Diese muss im schmelzförmigen Zustand fertig legiert werden, der sogenannten Sekundärmetallurgier und kann in der Regel nach der Erstarrung nicht mehr in ihrer chemischen Zusammensetzung variiert werden. Die Schmelze wird Stranggepresst und im Anschluss über viele Arbeitsschritte in die letztendliche Drahtform gebracht. Eine Legierungsentwicklung ist somit sehr aufwendig und kostspielig. Aus diesem Grund soll ein alternatives Legierungskonzept, zur Erstellung modifizierter Schweißzusatzwerkstoffe mittels PVD Dünnfilmbeschichtung untersucht werden. Dazu wurde als Referenz ein DIN EN ISO 14341-A G 50 7 M21 4Mo Massivdraht Schweißzusatzwerkstoff verwendet. Dieser Basisdraht wurde unter Verwendung eines PVD-Prozesses mit Legierungselementen, die als Dünnfilmschicht auf der Oberfläche des Drahtes vorliegen, modifiziert. Die untersuchten Legierungselemente sind Aluminium, Chrom, Niob, Nickel und Titan. Es wurde ein Versuchsplan mit unterschiedlichen Schichtsystemen aufgestellt, welche in Einzelschichten und Mischschichten unterteilt werden. Bei den Einzelschichten liegt jeweils nur ein Element auf der Oberfläche vor und bei den Mischschichten werden mehrere Legierungselemente zeitgleich beschichtet. Dabei liegen alle beteiligten Legierungselemente in einer Schicht vor, um einen Einfluss unterschiedlicher Schichtreihenfolgen zu vernachlässigen. Bei den Beschichtungen handelt es sich um einen konstanten Schichtauftrag von 2 µm bei jedem Schichtsystem. Schwerpunkt der Untersuchungen wird auf die Beeinflussung der Prozess- und Werkstoffeigenschaften gelegt. Bei der Untersuchung der Prozessbeeinflussung ist aufgefallen, dass sich durch die auf der Oberfläche vorliegenden Legierungselemente eine Veränderung des Lichtbogens und der Schweißnaht einstellt. Die Beeinflussung des Lichtbogens kann dabei über den Unterschied in der Ionisationsenergie beschrieben werden. Wird diese herabgesetzt, steigt die Leitfähigkeit im Plasma. Dadurch wird die notwendige Spannung zur Spaltüberbrückung herabgesetzt und es kann ein höherer Strom bei gleichzeitig größerer Lichtbogenlänge fließen. Dies ist jedoch abhängig von der Lichtbogentemperatur. Als Beispiel werden Aluminium und Titan verwendet. Bei diesen beiden Legierungselementen wurde die größte Lichtbogenlänge ermittelt. Aluminium weist im Vergleich zu Titan eine geringere Ionisationsenergie auf. Folglich wäre die Lichtbogenlänge bei dem Schichtsystem Aluminium am größten. Jedoch wird durch Aluminium die Temperatur des Lichtbogens herabgesetzt. Dadurch wird die thermische Ionisation verringert und die Leitfähigkeit sinkt. Daraus lässt sich schließen, dass der Einfluss auf den Lichtbogen in Abhängigkeit der Ionisationsenergie und der Beeinflussung der Lichtbogentemperatur bestimmt werden kann. Dies wirkt sich wiederum auf die Schweißnaht aus. Weiterhin wird die Schweißnaht durch den Einfluss der einzelnen Legierungselemente auf die Oberflächenspannung von Stahlschmelzen beeinflusst. Durch die Untersuchungen der Werkstoffeigenschaften kann ein signifikanter Einfluss der Legierung durch das alternative Legierungskonzept auf die mechanischen Eigenschaften nachgewiesen werden. Es wurde zunächst der Einfluss auf die Gefügemorphologie betrachtet. Dabei wurde der Vergleich zu Schweißzusatzwerkstoffen gezogen, die mittels Sekundärmetallurgie hergestellt wurden. Dabei ist aufgefallen, dass sich die Legierungselemente unabhängig von ihrer Legierungsmethode gleich auf die Gefügeeigenschaften von HSLA Stählen auswirken. Weiterhin konnte ein Zusammenhang zwischen Härte, statischer Festigkeit und Schwingfestigkeit gezogen werden. Das Schichtsystem mit der höchsten Festigkeitssteigerung und den besten Zähigkeitseigenschaften ist Nickel. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass durch die Modifikation der Schweißzusatzwerkstoffe die Rissinitiierung erst bei einer höheren Anzahl an Belastungszyklen erfolgt. Zur Qualifizierung des alternativen Leigerungskonzeptes wurde mit dem Referenzdraht durch entsprechende Modifikation ein bestehender, durch Sekundärmetallurgie hergestellter Schweißzusatzwerkstoff, in gleicher chemischer Zusammensetzung hergestellt. Bei dem Vergleich der Schweißgutgefüge konnte kein Unterschied zwischen den unterschiedlichen Legierungsmethoden festgestellt werden. Die mechanischen Eigenschaften bezogen auf Härte und statische Festigkeit haben marginale Abweichungen aufgezeigt. Diese können jedoch durch eine inhomogene chemische Zusammensetzung und unterschiedliche Schweißeinflussgrößen erklärt und somit vernachlässigt werden. Es konnte aufgezeigt werden, dass das untersuchte Legierungskonzept im Bereich der HSLA Stähle als eine alternative Methodik zur Legierungsentwicklung verwendet werden kann. Hierdurch kann der Aufwand der Legierungsentwicklung im Hinblick auf die additive Fertigung mit hochfesten niedriglegierten Werkstoffen erheblich reduziert werden. Bei der Herstellung von Probenkörpern ist lediglich auf die Beeinflussung des Schweißprozesses im Hinblick auf die Veränderung der Lichtbogenlänge zu achten. Dieser Einfluss hat jedoch keine Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften des vorliegenden Schweißgutes.
A permanent growing interest in the application of additive manufacturing processes results in the necessity to develop adapted filler materials. In the case of wire-based additive manufacturing well known as Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM), the problem arises that a filler metal is created from a metal melt. This must be alloyed in the molten state, the so-called secondary metallurgy, and its chemical composition can usually no longer be varied after solidification. The melt is extruded and then shaped into the final wire form in many steps. Alloy development is therefore very complex and costly. For this reason, an alternative alloy concept for the production of modified welding consumables by means of PVD thin film coating is to be investigated. For this purpose, a DIN EN ISO 14341-A G 50 7 M21 4Mo solid wire welding consumable was used as a reference. This base wire was modified using a PVD process with alloying elements present as a thin film layer on the surface of the wire. The alloying elements investigated are aluminium, chromium, niobium, nickel and titanium. An experimental plan was set up with different layer systems, which are divided into single layers and mixed layers. In the case of single layers, only one element is present on the surface and in the case of mixed layers, several alloying elements are coated simultaneously. In this case, all the alloying elements involved are present in one layer in order to neglect the influence of different layer sequences. The coatings have a constant layer thickness of 2 µm for each coating system. The focus of the investigations is on the influence of the process and material properties. During the investigation of the process influence, it was noticed that the alloying elements present on the surface cause a change in the arc and the weld seam. The influence on the arc can be described by the difference in ionisation energy. If this is reduced, the conductivity in the plasma increases. This reduces the voltage required to bridge the gap and a higher current can flow with a longer arc length. However, this depends on the arc temperature. Aluminium and titanium are used as examples. The longest arc length was determined for these two alloying elements. Aluminium has a lower ionisation energy compared to titanium. Consequently, the arc length would be the longest for the aluminium layer system. However, aluminium reduces the temperature of the arc. This reduces the thermal ionisation and the conductivity. From this it can be concluded that the influence on the arc can be determined as a function of the ionisation energy and the influence on the arc temperature. This in turn has an effect on the weld seam. Furthermore, the weld seam is influenced by the influence of the individual alloying elements on the surface tension of steel melts. Through the investigations of the material properties, a significant influence of the alloy by the alternative alloy concept on the mechanical properties can be demonstrated. First, the influence on the microstructure morphology was considered. A comparison was made with filler metals produced by secondary metallurgy. It was found that the alloying elements have the same effect on the microstructural properties of HSLA steels, regardless of their alloying method. Furthermore, a correlation between hardness, static strength and fatigue strength could be drawn. The layer system with the highest increase in strength and the best toughness properties is nickel. Furthermore, it could be shown that by modifying the filler metals, crack initiation only occurs at a higher number of loading cycles. In order to qualify the alternative leaching concept, an existing filler metal produced by secondary metallurgy with the same chemical composition was produced with the reference wire by appropriate modification. When comparing the weld metal microstructures, no difference was found between the different alloying methods. The mechanical properties related to hardness and static strength showed marginal deviations. However, these can be explained by an inhomogeneous chemical composition and different welding parameters and can therefore be neglected. It could be shown that the investigated alloying concept in the field of HSLA steels can be used as an alternative methodology for alloy development. This can significantly reduce the effort of alloy development with regard to additive manufacturing with high-strength low-alloy materials. When manufacturing specimens, the only thing that needs to be taken into account is the influence of the welding process with regard to the change in arc length. However, this influence has no effect on the mechanical properties of the weld metal.
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