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