Abgeschlossene Forschungsprojekte
- Schwellenwerte des wasserstoffinduzierten Schraubenversagens
- Kavitationserosionsresistente Cu-basierte Formgedächtnislegierungen und Cu-Si Legierungen für Kokillen- oder Druckguss
- Kavitationsschutzschichten aus Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen hergestellt durch modifizierte Lichtbogenspritzprozesse
- Kavitations-Erosionsuntersuchungen an Propellerwerkstoffen
- Entwicklung von Materialoberflächen mit verbesserter Widerstandsfähigkeit gegenüber Kavitationserosion für den Einsatz in Ultraschallreinigungsanlagen
- Simulation der Auswirkung des Stanzens und der Blechumformung auf das Wasserstoffversprödungsrisiko von hochfesten Stählen
- Einfluss des tribokorrosiv erzeugten Wasserstoffs auf die Schädigung von Bauteilen - Theorie, Nachweis und Abhilfemaßnahmen
- Tieftemperaturzähigkeit der Lean-Duplex-Stähle
- Flüssigmetall induzierte Spannungsrisskorrosion (Lotbrüchigkeit)
- Charakterisierung von Mangan-Austenit-Stählen bezüglich der Neigung zur Spannungsrisskorrosion
- Dehnungstolerante Verschleißschutzschichten
- Oberflächenreaktionen an Formgedächtnislegierungen: Korrosion, Verschleiß, Beschichtung und Mikrostrukturierung
- Einsatz und Verwendung hochfester Stähle im Automobilbau unter korrosiven Aspekten
- Computerunterstützte Legierungsoptimierung ferritisch-austenitischer Duplexstähle
- Metallkundliche Untersuchung eines B-legierten CrNi-Stahls
- Beurteilung des Verschleißverhaltens und Ermittlung von Kennwerten für eine beanspruchungsgerechte Auswahl von Kunststoffformenstählen
- Verformungs- und Versagensverhalten von partikelverstärkten Aluminiumlegierungen bei thermischer und thermisch-mechanischer Ermüdungsbeanspruchung
- Nutzung der Nahordnung in stickstofflegierten nichtrostenden Stählen
- Numerische Simulation der mikrostrukturellen Wechselwirkungen in ferritisch-austenitischen Duplex-Stählen unter statischer und zyklischer Beanspruchung
- Erforschung metallkundlicher Vorgänge in der Inkubationsphase bei der Kavitationserosion
- Korrosions- und Verschleißeigenschaften von NiTi-Formgedächtnislegierungen (FGL) sowie die Entwicklung von Korrosions- und Verschleißschutzschichten
- Untersuchungen zu Eigenspannungen und Verzug in ferritisch-austenitischen Duplex-Stählen
- Rheologie der Erde - von der Oberkruste bis in die Subduktionszone
- Charakterisierung laserinduzierter Oberflächenoptimierung von Hochleistungskeramiken
- Legierungsentwicklung von ferritisch-austenitisch-karbidischen Gußlegierungen
- Optimierung metallischer und keramischer Hochtemperaturwerkstoffe und Beschichtungen für den Einsatz in reaktiven Medien
- Optimierung der Gebrauchseigenschaften von Mehrstoffaluminiumbronzen durch Laserstrahloberflächenbehandlung
Schwellenwerte des wasserstoffinduzierten Schraubenversagens
Projektkoordinator / Ansprechpartner
Prof. Dr.-Ing. Michael Pohl
Projektleitung / verantwortlicher Wissenschaftler
Felix Backhaus, M.Sc.
Kurzbeschreibung
Mechanische Verbindungselemente, wie zum Beispiel Schrauben, können während des
Herstellungsprozesses und im Betrieb Wasserstoff aufnehmen. Da diese Verbindungselemente teilweise
hohe Festigkeiten aufweisen, sind sie anfällig für wasserstoffinduzierte Schäden. Durch
systematische Untersuchungen soll sowohl das Aufnahmevermögen als auch das Effusionsverhalten von
Wasserstoff in ausgewählten Legierungen von Verbindungselementen, während der einzelnen Schritte des
Galvanisierungsprozesses, untersucht werden.
Durch ein gezieltes Einstellen von verschiedenen Wasserstoffgehalten soll weiterhin ein
Schwellenwert für einen kritischen Wasserstoffgehalt ermittelt werden, bei dessen überschreiten,
unter einer definierten mechanischen Last, Schrauben versagen.
Gefördert durch:
Industrie
Kavitationserosionsresistente Cu-basierte Formgedächtnislegierungen und Cu-Si Legierungen für Kokillen- oder Druckguss
Projektkoordinator / Ansprechpartner
Prof. Dr.-Ing. Michael Pohl
Projektleitung / verantwortlicher Wissenschaftler
Dipl.-Ing. Julia Baak
Kurzbeschreibung
Cu-Werkstoffe finden Verwendung in vielen Bereichen der Technik, die zum Teil hohen Belastungen
unterliegen können. Das ist der Fall bei Anwendungen im Schiffsbau (z.B. Propellern), im Pumpenbau
(z.B. Rädern) und in der Steuerungstechnik (z.B. Drosselklappen), wo Kavitation ein
lebenslimitierender Faktor sein kann. Dabei ist Werkstoffzerstörung durch Kavitationserosion ein
nicht gelöstes Problem. Durch Druckschwankungen und Schwingungen in den obengenannten Systemen
bilden sich Kavitationsblasenfelder aus, die bei Implosion durch auftretende Druckspitzen die
Werkstoffoberfläche immens schädigen. In vielen Fällen können konstruktive Maßnahmen Abhilfe
leisten. Diese stoßen jedoch schnell an ihre Grenzen, insbesondere wenn Leichtbau, Miniaturisierung,
hohe Leistungen und lange Lebensdauer gleichzeitig verlangt werden. In manchen hydraulischen
Systemen kann Kavitation nicht vermieden werden, so dass Bedarf an kavitationsresistenten
Werkstoffen besteht.
Mit dem Projekt wird das Ziel verfolgt, komplexe, kavitationserosionsresistente Bauteile im
Druckgießverfahren herzustellen, welche sich für die Anwendung in Pumpen, Ventilen, Drosselklappen,
Flanschen, Fittings und Rohrkrümmern eignen.
Um eine deutliche Verbesserung der Standzeit von stark kavitationserosionsbelasteten Pumpen zu
erreichen, sollen Cu-basierte Formgedächtnislegierungen (Cu-FGL) entwickelt sowie CuSi-Tombak
weiterentwickelt werden. Für die Herstellung der Pumpenteile im Druckguss ist ein wirtschaftliches
Fertigungsverfahren samt den dafür nötigen gießtechnischen Parametern zu entwickeln. Dafür wird in
diesem Projekt die Verwendung von Salzkernen im Druckguss erforscht und entwickelt.
Gefördert durch:
ZIM
Projektpartner:
Breuckmann GmbH & Co. KG
Hochschule Aalen (GTA)
Laufzeit
Kavitationsschutzschichten aus Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen hergestellt durch modifizierte Lichtbogenspritzprozesse
Projektkoordinator / Ansprechpartner
Prof. Dr.-Ing. Michael Pohl
Projektleitung / verantwortlicher Wissenschaftler
Dipl.-Ing. Julia Baak
Kurzbeschreibung
Kavitation findet an zahlreichen hydraulischen Bauteilen statt, die extremen Druckänderungen
ausgesetzt sind. Beispiele hierfür sind Ventile, Pipelines, Pumpen, Schiffpropeller, Zylinder von
Dieselmotoren sowie Drosselklappen. Die Schädigung der Oberfläche durch Kavitationserosion
verringert die Lebensdauer solcher Bauteile und kann zum Ausfall kompletter Anlagen führen.
Konstruktive Maßnahmen können teilweise Abhilfe schaffen, stoßen jedoch schnell an ihre Grenzen.
Eine weitere erfolgversprechende Maßnahme ist die Auswahl geeigneter Bauteilwerkstoffe, um die
Folgen der Kavitation zu vermindern. In diesem Zusammenhang und im Hinblick auf hohe Materialpreise
für kavitationsbeständige Werkstoffe ist die Beschichtung von stark beanspruchten
Maschinenkomponenten eine wirkungsvolle und kostensparende Alternative zu dem Einsatz von
Vollmaterial. Das Beschichten von kostengünstigem und leicht zu bearbeitendem Material mit einer
kavitationserosionsresistenten Schicht bietet für viele Anwendungsfälle einen effizienten
Verschleißschutz und damit ein erhebliches wirtschaftliches Potential. Konventionelle
Beschichtungsmaterialien stoßen bei der Beanspruchung durch Kavitationsbeaufschlagung jedoch oft an
ihre Grenzen. Einen vielversprechenden Lösungsansatz bieten hier Formgedächtnislegierungen (FGL),
beispielsweise aus Nickel-Titan, die nachgewiesenermaßen eine hervorragende Kavitationsbeständigkeit
aufweisen.
Ziel dieses Projektes ist es, die Vorteile der Lichtbogenspritztechnik, insbesondere die hohe
Auftragseffizienz und hohe Prozessflexibilität, mit der Shroudtechnik zu kombinieren. Auf diese
Weise soll eine oxidarme NiTi-Schicht mit pseudoelastischen Eigenschaften und schlussendlich einer
hohen Kavitationserosionsresistenz hergestellt werden.
Gefördert durch:
AiF
Projektpartner:
TU Dortmund (LWT)
Laufzeit
Kavitations-Erosionsuntersuchungen an Propellerwerkstoffen
Projektkoordinator / Ansprechpartner
Prof. Dr.-Ing. Michael Pohl
Projektleitung / verantwortlicher Wissenschaftler
Magali Blumenau, M. Sc.
Kurzbeschreibung
Große Schiffspropeller werden als Bronze-Sandguss hergestellt. Die weltweit am häufigsten verwendete
Legierung ist die Aluminiumbronze CuAl10Ni5Fe5-C-GS, die in DIN EN 1982 genormt ist und von der
International Association of Classification Societies IACS als Schiffsschraubenwerkstoff CU3, W24
standardisiert wurde, wobei breite Legierungsspannen zugelassen sind. Die Gehalte der wichtigsten
Legierungselemente Al, Fe, Ni und Mn haben großen Einfluss auf die Anordnung und die Eigenschaften
der Phasenausbildung im komplexen Bronzegefüge; hinzu kommt die Wirkung gusstechnischer Parameter.
Durch systematische Untersuchung der Legierungsvariationen und Gusseinflüsse soll das
kavitationsresistente Gefüge für Schiffspropellerwerkstoffe definiert werden, das auch das
Anforderungsprofil hinsichtlich Festigkeit, Schwingungs- und Schwingungsrisskorrosionsbeständigkeit
und Hydroabrasion erfüllt.
Gefördert durch:
Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie
Projektpartner:
Mecklenburger Metallguss, Waren
Hamburgische Schiffsbauversuchsanstalt
Schiffsbau-Versuchsanstalt Potsdam
TU Berlin
Universität Duisburg-Essen
Laufzeit
Entwicklung von Materialoberflächen mit verbesserter Widerstandsfähigkeit gegenüber Kavitationserosion für den Einsatz in Ultraschallreinigungsanlagen
Projektkoordinator / Ansprechpartner
Prof. Dr.-Ing. Michael Pohl
Projektleitung / verantwortlicher Wissenschaftler
Magali Blumenau, M. Sc.
Kurzbeschreibung
Die Reinigungswirkung von Ultraschall basiert auf dem physikalischen Prinzip der Kavitation. Dieser
für den Reinigungsprozess entscheidende physikalische Effekt führt andererseits zu Erosionsvorgängen
vor allem an den ultraschallabstrahlenden Flächen der Ultraschallreinigungsanlagen. Durch die
Erosion verringert sich die Lebensdauer der Anlagen und es ergeben sich Probleme bei der
Feinstreinigung durch freigesetzte Partikel.
Im Projekt werden verschiedene Oberflächenmodifikationen und Beschichtungen zur Erhöhung der
Kavitationserosionsbeständigkeit von ultraschallabstrahlenden Oberflächen wie Schwingplatten, Stab-
oder Rohrschwingern, Tauchschwingern und tiefgezogenen sowie geschweißten Wannen untersucht.
Gefördert durch:
ZIM
Projektpartner
Elma Schmidbauer GmbH
Weber Ultrasonics GmbH
Laufzeit
Simulation der Auswirkung des Stanzens und der Blechumformung auf das Wasserstoffversprödungsrisiko von hochfesten Stählen
Projektkoordinator / Ansprechpartner
Prof. Dr.-Ing. Michael Pohl
Projektleitung / verantwortlicher Wissenschaftler
Dipl.-Ing. Gregor Manke
Kurzbeschreibung
Ziel des Projekts ist die Entwicklung einer reproduzierbaren Testmethodik zur Charakterisierung des
Einflusses der Wasserstoffversprödung auf die Kantenrissempfindlichkeit von Blechgüten mit
Festigkeiten > 1000 MPa. Ebenso trägt das Projekt dazu bei, das Verständnis der Veränderung der
Wasserstofflöslichkeit und der Wasserstoffversprödungsresistenz durch plastische Verformung zu
erhöhen. Darüber hinaus wird ein Simulationsmodell entwickelt, das den Einfluss des Gefüges und der
Kantenrissempfindlichkeit auf die Wasserstoffversprödungsanfälligkeit berücksichtigt.
Gefördert durch:
COMET
Projektpartner:
ThyssenKrupp Steel Europe AG, Duisburg
Voestalpine Stahl GmbH, Linz
BMW Group, München
Materials Center Leoben
Laufzeit
Einfluss des tribokorrosiv erzeugten Wasserstoffs auf die Schädigung von Bauteilen - Theorie, Nachweis und Abhilfemaßnahmen
Projektkoordinator / Ansprechpartner
Prof. Dr.-Ing. Michael Pohl
Projektleitung / verantwortlicher Wissenschaftler
Dipl.-Ing. Gregor Manke
Kurzbeschreibung
Durch tribochemische Prozesse kann es in hochbeanspruchten Systemen zu Schädigungen kommen, die auf
das Eindringen von atomarem Wasserstoff zurückzuführen sind. So entstehen in Wälzlagern z.B.
sogenannte White Etching Cracks (WECs), die zu Ausbrüchen der Lagerlauffläche führen können.
Ebensolche Ausbrüche kann es auf den Zahnflanken von Zahnrädern oder auf den Oberflächen von
Kaltwalzen geben.
Aufgrund des unvorhersehbaren Versagens wird eine reproduzierbare Möglichkeit gesucht, den
diffusiblen Wasserstoffanteil ohne aufwendige Probenpräparation bestimmen zu können. Dafür wird eine
elektrochemische Messzelle implementiert, über die der aus der tribokorrosiv beanspruchten
Oberfläche austretende Wasserstoff bestimmt und mit einzelnen Einflüssen korreliert wird. Aus diesen
Ergebnissen werden Abhilfemaßnahmen abgeleitet, die einen sicheren Einsatz derartiger Bauteile
gewährleistet.
Gefördert durch:
Industrie
Projektpartner:
FAG
Mubea
Norsk
Laufzeit
Tieftemperaturzähigkeit der Lean-Duplex-Stähle
Projektkoordinator / Ansprechpartner
Prof. Dr.-Ing. Michael Pohl
Projektleitung / verantwortlicher Wissenschaftler
Dr.-Ing. M. Knyazeva
Kurzbeschreibung
Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens soll das Verhalten der nichtrostenden ferritisch-austenitischen
Duplex-Stähle bei tiefen Temperaturen erforscht werden. Die Duplex-Stähle eignen sich hervorragend
zur Anwendung in der Offshore-Industrie, wo neben Korrosionsbeständigkeit auch hohe Zähigkeitswerte
bei tiefen Temperaturen benötigt werden. Zur Gewährleistung hoher Zähigkeit werden die Duplex-Stähle
im lösungsgeglühten, ausscheidungsfreien Zustand eingesetzt, zeigen nach industrieller Fertigung
jedoch unreproduzierbar starke Schwankungen in der Kerbschlagbiegearbeit bei tiefen Temperaturen.
Ähnlich wie ferritische und hochstickstoffhaltige austenitische Stähle, weisen die Duplex-Stähle bei
sinkenden Temperaturen einen duktil-zu-spröde-Übergang auf, der in einigen Fällen schon bei
Raumtemperatur auftritt. Solche Schwankungen und die damit verbundene Unsicherheit schränken den
Einsatz der Stähle sehr stark ein. Das Spektrum der Einflussfaktoren auf die Übergangstemperatur ist
sehr breit und basiert auf einem Komplex aus Gefügeaufbau und chemischer Zusammensetzung.
Ziel des Projektes ist die Ursachenfindung der Tieftemperaturversprödung der Duplex-Stähle. Dies
soll eine Basis für die Entwicklung von tieftemperaturzähen Duplex-Stählen schaffen und
sicherstellen, dass die geforderten Tieftemperaturzähigkeitseigenschaften reproduzierbar
bereitgestellt werden können.
Kooperationen:
Arbeitskreis Duplex-Stähle
Laufzeit
2009 - 2015
Flüssigmetall induzierte Spannungsrisskorrosion (Lotbrüchigkeit)
Projektkoordinator / Ansprechpartner
Prof. Dr.-Ing. Michael Pohl
Projektleitung / verantwortlicher Wissenschaftler
Dipl.-Ing. A. Luithle
Kurzbeschreibung
Verliert ein duktiles Metall unter der Anwesenheit einer mechanischen Belastung und in Kontakt mit
flüssigem Metall seine Verformungsfähigkeit, so ist von Flüssigmetall induzierte
Spannungsrisskorrosion oder Lotbrüchigkeit die Rede. Obwohl dieses Phänomen seit über 100
Jahren bekannt ist, bestehen keine allgemein gültigen Theorien, die Vielzahl der bislang
auftretenden Bauteilschäden gänzlich beschreiben können. Häufig werden Stahlbau-konstruktionen
zum Korrosionsschutz feuerverzinkt. Dieses traditionelle Verfahren ist technisch gut beherrschbar
und von hoher Wirtschaftlichkeit. Gelegentlich kommt es jedoch bei kalt umgeformten oder
schweißtechnisch
bearbeiteten Bauteilen zur Rissbildung während des Beschichtungsprozesses. Bei dieser unter dem
Namen Lotbruch bekannten Schadensart kommt es zu einem Korngrenzenangriff des zu beschichtenden
Werkstoffs durch das flüssige Zink.
Die Voraussetzungen für das Eintreten dieser Schädigungsart sind beispielsweise in der
VDI-Richtlinie 3822 „Schäden durch Korrosion in wässrigen Medien“ zu finden. Diese besagt:
„Der
Lotbruch ist der interkristallinen Spannungsrisskorrosion in Elektrolytlösungen
phänomenologisch sehr ähnlich. Für das Auftreten von Lotbruch ist neben Zugspannungen
(Betriebs- / Eigenspannungen) das Vorliegen einer Temperatur, bei der der Grundwerkstoff fest, das
benetzende Lot jedoch flüssig ist, erforderlich. Voraussetzung ist auch eine begrenzte
gegenseitige Löslichkeit der Metalle, sodass das Lot bevorzugt über die Korngrenzen
eindringt. Mikroanalytisch lässt sich das Lot (Hg, Sn, Bi, Cd, Pb, Zn, Cu) im Rissverlauf
feststellen“.
Im Rahmen eines DFG-Projektes soll geklärt werden, ob der z. B. durch die Beizvorbehandlung in
kaltverfestigte Bereiche von Bauteilen eingebrachte Wasserstoff verantwortlich für die Rissbildung
beim Feuerverzinken ist bzw. ob dieser einen Beitrag zur Rissentstehung leistet. Des Weiteren soll
das Risiko für das Eintreten von flüssigmetallinduzierten Rissen, bei den in der Stahlbaubranche
eingesetzten Stählen, reduziert werden. Den in dieser Branche tätigen Unternehmen soll daher ein
Hilfsmittel an die Hand gegeben werden, mit dem sich das Risiko der Rissbildung vorhersagen bzw.
ausschließen lässt.
Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens sollen die im Stahlbau üblichen Stahlgüten untersucht werden.
Neben den Ausgangszuständen der Baustähle werden gezielt kaltverfestigte Proben durch Rundschmieden
auf deren Neigung zur Rissbildung während des Feuerverzinkens untersucht. Aufbauend auf diesen
Erkenntnissen soll durch gezielte Wasserstoffbeladung der Proben geklärt werden, ob der eingebrachte
Wasserstoff dafür verantwortlich ist bzw. einen Beitrag zur Rissbildung leistet.
Kooperationen:
ThyssenKrupp Steel
Drittmittelförderung:
DFG
Laufzeit
01.03.2010 - 31.08.2013
Charakterisierung von Mangan-Austenit-Stählen bezüglich der Neigung zur Spannungsrisskorrosion
Projektkoordinator / Ansprechpartner
Prof. Dr.-Ing. Michael Pohl
Projektleitung / verantwortlicher Wissenschaftler
Dipl.-Ing. F. Unterumsberger
Kurzbeschreibung
Eine Gruppe von hochfesten Werkstoffen stellen Manganaustenite mit Mangangehalten von 15 bis 25
Mass.-% und Aluminium- und Siliziumgehalten von 2 bis 4 Mass.-% dar. Diese auch unter dem Namen X-IP
(Xtremely formable + Xtremely high strength steels with
Induced Plastivity) oder L-IP (Light construction
steel with Induced Plasticity) bekannten Stähle weisen
Festigkeiten von 600 MPa bis 1200 MPa und Bruchdehnungen von 40 % bis 90 % auf. Die hohe
Bruchdehnung beruht auf den sogenannten TWIP-Effekt (Twinning Induced Plasticity), also auf einer
dehnungsinduzierten Verzwillingung des austenitischen Gefüges. Durch die hohe Festigkeit und
Bruchdehnung sind diese TWIP-Stähle besonders für Anwendungen in der Automobilindustrie
prädestiniert. Aufgrund der Festigkeit können Leichtbaukonstruktionen entwickelt werden, die
durch ihre gute Verformungsfähigkeit gleichzeitig ein hohes Energieabsorptionsvermögen
(Crashsicherheit) aufweisen. Dadurch kann eine Gewichtsreduzierung erzielt und gleichzeitig der
Insassenschutz verbessert werden. In Zusammenarbeit mit ThyssenKrupp Steel wird diese
Werkstoffgruppe hinsichtlich ihrer Anfälligkeit für Spannungsrisskorrosion charakterisiert, mit
dem Ziel die überragenden mechanischen Eigenschaften der TWIP-Stähle mit Sicherheit einsetzen
zu können.
Die erhöhte Festigkeit dieser TWIP-Stähle birgt, die seit langem von Federstahl bekannte
Anfälligkeit für Wasserstoff induzierte Spannungsrisskorrosion (SpRK). Im Allgemeinen ist bei
Festigkeiten oberhalb von 800 MPa mit einer erhöhten Anfälligkeit für Wasserstoff
induzierte SpRK zu rechnen. Der korrosive Angriff kann zu einer verzögerten Rissbildung und
somit zum frühzeitigen Versagen von Bauteilen führen.
In Zusammenarbeit mit ThyssenKrupp Steel wird diese Werkstoffgruppe hinsichtlich ihrer Anfälligkeit
für Spannungsrisskorrosion charakterisiert, mit dem Ziel die überragenden mechanischen
Eigenschaften der TWIP-Stähle mit Sicherheit einsetzen zu können.
Kooperationen:
ThyssenKrupp Steel
Laufzeit
2007 - 2012
Dehnungstolerante Verschleißschutzschichten
Projektkoordinator / Ansprechpartner
Prof. Dr.-Ing. Michael Pohl
Projektleitung / verantwortlicher Wissenschaftler
Dipl.-Ing. L. Gerke
Kurzbeschreibung
NiTi-Formgedächtnislegierungen haben sich mittlerweile in vielen Bereichen, vor allem in der
Medizintechnik als Funktionswerkstoff etabliert. Mit ihren sehr guten mechanischen, Korrosions- und
Verschleißeigenschaften sind sie ein idealer Werkstoff für medizinische Implantate und
Geräte. Als Beispiele sind der Einsatz als kardiovaskulärer Stent oder die biegsame Welle für
endoskopische Instrumente zu nennen. Die beim Einsatz eines Implantats auftretenden korrosiven und
tribologischen Beanspruchungen stellen eine hohe Belastung für den Werkstoff dar. Hier können
neue Beschichtungen die Lebensdauer erhöhen und die durch die Korrosion hervorgerufene
Nickelfreisetzung unterdrücken, wenn sie den Dehnungen der Implantate ohne adhäsives und
kohäsives Versagen standhalten.
Harte amorphe Kohlenstoffschichten (auch a-C:H oder DLC genannt) bieten vielversprechende
Eigenschaften als Beschichtung im medizinischen Bereich. So zeigen sie ein hervorragendes
Verschleißverhalten
hinsichtlich Abrasion, Adhäsion und Oberflächenzerrüttung. Der Korrosionswiderstand von
Kohlenstoffschichten ist ebenfalls sehr gut. Außerdem spricht die ausgezeichnete
Biokompatibilität von amorphem Kohlenstoff für den Einsatz auf medizinischen Implantaten und
Geräten.
In diesem DFG-Projekt werden amorphe wasserstoffhaltige Kohlenstoffschichten auf einem Ni-reichen
NiTi-Substrat untersucht. Ziel ist es, ein dichtes, festhaftendes Schichtsystem zu entwickeln,
welches idealerweise die pseudoelastischen Dehnungen der NiTi-FGL ohne Beschädigung erträgt. Die
DLC-Schichten werden mittels des plasmaunterstützten CVD-Verfahrens aus Acetylen (C2H2) auf das
Substrat aufgebracht. Hierbei werden Schichtdicken von 100 bis 200 nm hergestellt. Zur besseren
Haftung der Schicht wird vorher aus einem Silanplasma (SiH4) eine amorphe Siliziumschicht als
Haftvermittler (a-Si:H) mit einer Dicke von 20-50 nm abgeschieden. Zusätzlich werden a-Si:H- und
a-C:H-Multilayerschichten aufgebaut. In diesem Rahmen werden die mechanischen Eigenschaften der
Schicht charakterisiert, die Schichthaftung mittels nano scratch test (Abrasion) und Kavitationstest
(Oberflächenzerrüttung) untersucht und die Plastizität der Schicht wird im in situ Zugversuch
im REM getestet.
Dieses Kooperationsprojekt zwischen dem Lehrstuhl Anwendungsorientierte Plasmaphysik (Prof. Dr. J.
Winter) und dem Lehrgebiet Werkstoffprüfung verbindet die Herstellung und Charakterisierung der
physikalischen Eigenschaften der Schichten mit dem mechanischen und tribologischen Verhalten des
Gesamtsystems.
Kooperationen:
Lehrstuhl Anwendungsorientierte Plasmaphysik (Prof. Dr. J. Winter)
Drittmittelförderung:
DFG
Laufzeit
04.02.2007 - 01.09.2009
Oberflächenreaktionen an Formgedächtnislegierungen: Korrosion, Verschleiß, Beschichtung und Mikrostrukturierung
Projektkoordinator / Ansprechpartner
Prof. Dr.-Ing. Michael Pohl
Projektleitung / verantwortlicher Wissenschaftler
Dipl.-Ing. L. Gerke
Kurzbeschreibung
Das Projekt untersucht die Korrosions- und Verschleißeigenschaften der im SFB 459 verwendeten
Formgedächtnislegierungen (FGL) und stellt die in diesem Zusammenhang erarbeiteten
Systeminformationen den konstruktiv und medizintechnisch ausgerichteten Projekten zur Verfügung.
Da Verschleiß und Korrosion Systemeigenschaften sind, werden die in dem hier beantragten
Projekt geplanten Triboversuche an den Randbedingungen der verschiedenen Partnerprojekte
ausgerichtet. Für besonders aggressive Korrosions- und Verschleißbeanspruchungen von FGL
werden durch Laserbehandlung erzeugte Oberflächenmodifikationen sowie durch verschiedene Verfahren
erzeugte Schutzschichten betrachtet. Bei den Beschichtungen müssen die
Schichten/Schichtsysteme, die sich in der ersten Förderperiode bewährt haben, weiter optimiert
werden. Hierzu gehören kolumnare Hartstoff-Schichten/TiC, Diamant, Titanschichten, gradierte
Schichten NiTi, Ti mit Reintitan an der Oberfläche sowie Sandwichschichten NiTi/Ti/TiO X . Es wird
ein Schwerpunkt auf Ti-Schichten gelegt, da diese besonders geeignet für den Korrosionsschutz
von NiTi-FGL sind. Zusätzlich sollen durch partielles Lasereinschmelzen von TiC Inselstrukturen
erzeugt werden, die dehnungstolerant sind und einen hohen Verschleißwiderstand, insbesondere
gegen adhäsiven Verschleiß, aufweisen. Hierbei werden mikrostrukturierte Oberflächen
eingesetzt. Anschließend müssen die Verbesserungen der Verschleiß- und
Korrosionseigenschaften durch die Schutzschichten analysiert und bewertet werden. Dazu sind auch
Verschleiß- und Korrosionsversuche unter Dehnung vorgesehen.
In der ersten Förderperiode des SFB 459 wurden im Projekt C3 allgemeine Korrosions- und
Verschleißuntersuchungen an NiTi-FGL durchgeführt, um deren Grenzen zu definieren und
durch Schutzschichten weiter zu verbessern. Unabdingbare Voraussetzung waren dafür genau
definierte FGL-Oberflächen im Ausgangszustand, sodass nun auf systematische Untersuchungen
mechanisch wie auch elektrolytisch bearbeiteter Oberflächen zurückgegriffen werden kann.
In der ersten Förderperiode ergaben sich eine Reihe von Fragen, denen jetzt gezielt
nachgegangen werden soll. So müssen noch NiTi-FGL untersucht werden, welche den isothermen
Vergleich des Korrosions- und Verschleißverhaltens von NiTi-FGL sowohl im martensitischen als
auch im austenitischen Zustand erlauben. Des weiteren sollen die im SFB anfallenden Varianten von
FGL hinsichtlich ihres Korrosions- und Verschleißverhaltens untersucht werden; unter anderem
ist daran gedacht, FGL mit schmelzmetallurgisch eingebrachten Hartphasen zu charakterisieren.
Bauteile aus NiTi-FGL bedürfen in bestimmten Fällen nach ihrer Fertigung einer Wärmebehandlung.
Bei dieser Wärmebehandlung kommt es zu einer leichten Verzunderung. Aufgabe dieses Projekts wird es
auch sein, den Aufbau und die Zusammensetzung dieser Zunderschicht bei unterschiedlichen
Auslagerungstemperaturen und Auslagerungszeiten systematisch zu untersuchen. Von besonderer
Bedeutung ist dabei die selektive Oxidation des Ti. Es soll überprüft werden, ob diese
Titanoxidschichten so erzeugt werden können, dass sie eine effektive Barriere für Ni-Ionen
im Falle medizinischer Anwendungen darstellen.
Drittmittelförderung:
DFG (SFB 459, Projekt C3)
Laufzeit
2000 - 2011
Einsatz und Verwendung hochfester Stähle im Automobilbau unter korrosiven Aspekten
Projektkoordinator / Ansprechpartner
Prof. Dr.-Ing. Michael Pohl
Projektleitung / verantwortlicher Wissenschaftler
Dr.-Ing. S. Kühn
Kurzbeschreibung
Zur Reduzierung des Gesamtgewichts und zur Senkung des Benzinverbrauchs von Kraftfahrzeugen wurde in
den letzten Jahren der New Steel Body entwickelt. Bei diesem Leichtbaukonzept finden unter anderem
hochfeste Stähle Anwendung, die im Vergleich zu konventionellen Stählen eine Verringerung der
Karosserieblechstärke und damit eine Verringerung des Fahrzeuggesamtgewichts von bis zu 25 %
ermöglichen.
Die in dieser gewichtsoptimierten Karosserie eingesetzten Werkstoffe erreichen bei der Umformung
Festigkeiten von bis zu 1500 MPa. Bei derartigen Festigkeiten steigt jedoch zwangsläufig die Gefahr
der verzögerten Rissbildung und die Möglichkeit des unvorhersehbaren Versagens von
Bauteilen in Anwesenheit von Wasserstoff. Der Wasserstoff kann bei der Herstellung (metallurgischer
Wasserstoff) oder in Folge einer Oberflächenbehandlung (Beizen, Grundieren, galvanisches Verzinken,
etc.) oder bei der Korrosion vom Werkstoff aufgenommen werden.
Der Mechanismus der verzögerten Rissbildung und die beeinflussenden Parameter werden zurzeit
noch nicht vollständig verstanden. Zur Verbesserung des Kenntnisstandes bedarf es deshalb
differenzierter Untersuchungen, die eine sichere Aussage zum Materialverhalten hochfester Stähle
unter unterschiedlichen Umgebungsbedingungen ermöglichen.
Eine Möglichkeit besteht in der Durchführung von Zeitstandversuchen, bei denen die
mechanische Spannung und das Umgebungsmedium, welche auf den zu untersuchenden Werkstoff einwirken,
variiert werden. Auf diese Weise können kritische Spannungszustände und Umgebungsbedingungen,
die zum plötzlichen Versagen des Werkstoffes führen, genau abgegrenzt werden.
Kooperationen:
ThyssenKrupp Steel
Laufzeit
2006 - 2009
Computerunterstützte Legierungsoptimierung ferritisch-austenitischer Duplexstähle
Projektkoordinator / Ansprechpartner
Prof. Dr.-Ing. Michael Pohl
Projektleitung / verantwortlicher Wissenschaftler
Dipl.-Ing. R. Höhner
Kurzbeschreibung
Das hervorragende Eigenschaftsprofil ferritisch-austenitischer Duplexstähle wird über die
Mikrostruktur eingestellt. Die sichere Herstellung technisch relevanter Mikrostrukturen wird jedoch,
bedingt durch die hohen Gehalte an Legierungselementen, durch komplexe Phasenumwandlungen und
Ausscheidungen erschwert, die es zu steuern und zu kontrollieren gilt. Die Neu -und
Weiterentwicklung von Duplexstählen wird vielfach immer noch mit sehr aufwendigen und teuren
Experimenten betrieben.
Für die hochlegierten ferritisch-austenitischen Duplexstähle existieren keine numerischen Modelle,
die die Mehrphasigkeit dieser Legierungen thermodynamisch realistisch beschreiben. Abgebildet werden
bis heute im befriedigenden Maße Gleichgewichtszustände, die bei Duplexstählen jedoch nicht
vorliegen. Aufgrund der für Duplexstähle in genügender Menge vorliegenden detaillierten Datenbasis
aus experimentellen Untersuchungen können Ungleichgewichtszustände erfasst, mit numerisch
ermittelten Ergebnissen validiert und in entsprechende Datenbanken eingearbeitet werden.
Die so gewonnenen Datensätze können einerseits zur Entwicklung von neuen Legierungsvarianten genutzt
werden, zum anderen können Wärmebehandlungsparameter, Phasengleichgewichte und Zustandsdiagramme
simuliert und gezielt Mikrostrukturen eingestellt werden. Hierdurch liegt ein effizientes
Simulationswerkzeug vor, mit dem die bisherige konventionelle und kostenintensive
Legierungsentwicklung auf ein Minimum reduziert werden kann.
Drittmittelförderung:
Stiftung Industrieforschung
Laufzeit
2004 - 2010
Metallkundliche Untersuchung eines B-legierten CrNi-Stahls
Projektkoordinator / Ansprechpartner
Prof. Dr.-Ing. Michael Pohl
Projektleitung / verantwortlicher Wissenschaftler
Dipl.-Ing. M. Knyazeva
Kurzbeschreibung
Borlegierte nichtrostende Stähle werden unter anderem in Castor-Behältern, die als Transport- und
Lagerbehälter für ausgebrannte Brennelemente dienen, eingesetzt. Castor-Behälter müssen
dauerhaft stabil sein und dürfen ihren radioaktiven Inhalt unter keinen Umständen freisetzen.
Die dafür verwendeten Stähle müssen über hohe Festigkeit, gute
Korrosionsbeständigkeit und ausreichende Bruchdehnung verfügen. Zur Erzielung der geforderten
Eigenschaften sind borlegierte CrNi-Stähle im Einsatz.
Durch Bor hervorgerufene Ausscheidungen erhöhen die Festigkeitseigenschaften hochwarmfester
Stahltypen bei erhöhten Temperaturen, reduzieren jedoch die Verformbarkeit. Durch Variation der
Gefügeausbildung kann die mechanische Charakteristik des Werkstoffs ohne Veränderungen der
chemischen Zusammensetzung optimiert werden, um die spezifischen Anforderungen dauerhaft zu
erbringen. Bedeutende Einflussgrößen sind hierbei die Verteilung der borhaltigen Phasen
(z.B. deren Form und Größe) im Gefüge.
Die Auswirkungen der Legierungsbestandteile auf die Materialeigenschaften sind im Zusammenhang mit
nachfolgenden Verarbeitungs- und Wärmebehandlungsverfahren zu sehen. Die Kenntnis, welche
Mechanismen bei der Erstarrung und Verformung wirksam sind, ermöglicht die Optimierung der
Mikrostruktur und hilft den Werkstoff zu verbessern.
Kooperationen:
Thyssen Krupp VDM
Laufzeit
2007 - 2008
Beurteilung des Verschleißverhaltens und Ermittlung von Kennwerten für eine beanspruchungsgerechte Auswahl von Kunststoffformenstählen
Projektkoordinator / Ansprechpartner
Prof. Dr.-Ing. Michael Pohl
Projektleitung / verantwortlicher Wissenschaftler
Dipl.-Ing. Rene Höhner / Dip.-Ing. Murat Mola
Kurzbeschreibung
Die beanspruchungsgerechte Auswahl und damit der begründete Einsatz von Kunststoffformenstählen
basiert auf der Kenntnis der Beanspruchungen und der Beanspruchbarkeit. Trotz der hohen
wirtschaftlichen Bedeutung des Einsatzes von Werkzeugstählen für das Spritzen und Verpressen von
Kunststoffteilen, wo unterschiedliche Tribosysteme verbunden mit Korrosions- und
Temperaturbeanspruchung wirksam sind, besteht hier ein enormes Wissensdefizit.
Diese Situation führt zu einer Verunsicherung der Anwender und schließlich zu einem Verlust an
Marktanteilen gegenüber Konkurrenzwerkstoffen. Insbesondere ist in der jüngsten Vergangenheit eine
starke Substitution von Stahl durch Aluminium beim Bau von Prototypen aber auch bei Kleinserien zu
verzeichnen.
Ziel des Forschungsvorhabens ist es, das Verschleißverhalten von Kunststoffformenstählen
sowie zum Vergleich von zur Zeit eingesetzten Aluminiumlegierungen unter verschiedenen
tribologischen Beanspruchungen in mechanismenorientierten Modellprüfapparaturen zu beurteilen
und der Beanspruchung entsprechende Werkstoffkennwerte zu ermitteln. Die Kennwerte sollen mit
Betriebsversuchen verglichen werden und in ein bestehendes rechnergestütztes Auswahlsystem für
Stähle integriert werden.
Kooperationen:
Betriebsforschungsinstitut
VDEh-Institut für angewandte Forschung GmbH/ Düsseldorf
Drittmittelförderung
Studiengesellschaft Stahlanwendung e.V.
Laufzeit
2001 - 2004
Verformungs- und Versagensverhalten von partikelverstärkten Aluminiumlegierungen bei thermischer und thermisch-mechanischer Ermüdungsbeanspruchung
Projektkoordinator / Ansprechpartner
Prof. Dr.-Ing. Michael Pohl
Projektleitung / verantwortlicher Wissenschaftler
Dipl.-Ing. Sebastian Heimann
Kurzbeschreibung
Bei partikelverstärkten Metallmatrix-Verbundwerkstoffen, die wegen ihrer guten
Verschleißeigenschaften für Bauteile wie Bremsscheiben oder Bremstrommeln verwendet werden, kommt es
häufig zu Ausfällen durch thermisches Ermüdungsversagen. Vor allem eine wechselnde Beanspruchung
aufgrund von sich zeitlich oder örtlich verändernden Temperaturen führt häufig zum Versagen.
Die
in diesem Projekt durchgeführten Untersuchungen sind in zwei Bereiche unterteilt. Zum einen wurde
das Verhalten zweier Verbundwerkstoffe auf Basis der Aluminiumlegierung EN AW 6061 verstärkt mit 15
Vol. % und mit 22 Vol. % Aluminiumoxid sowie der unverstärkten Matrixlegierung EN AW 6061
hinsichtlich ihres thermischen Ermüdungsverhaltens untersucht. Zum anderen wurde ein
Simulationsmodell aufgebaut, mit dessen Hilfe die Beanspruchungen im Werkstoff während der
thermischen Ermüdung ermittelt werden können. Die Validierung des Modells erfolgte auf Basis von
thermisch-mechanischen Ermüdungsversuchen, die am Karlsruher Institut für Technologie durchgeführt
wurden. Das Modell soll helfen, die Versuchsmethoden thermische Ermüdung und thermisch-mechanische
Ermüdung näher zusammenzubringen, um so einen optimalen Nutzen aus beiden Verfahren ziehen zu
können.
Kooperationen:
Karlsruher Institut für Technologie
Institut für Werkstoffkunde I
Prof. Dr.-Ing. D. Löhe und Dr.-Ing. T. Beck
Drittmittelförderung
DFG
Laufzeit
07/2003 - 02/2009
Nutzung der Nahordnung in stickstofflegierten nichtrostenden Stählen
Leiter/Koordinator/Ansprechpartner
Prof. Dr.-Ing. Michael Pohl
Prof. em. Dr.-Ing. Hans Berns
Prof. Dr. Valentin Gavriljuk
Kurzbeschreibung
In vorangehenden DFG-Projekten wurde in Zusammenarbeit mit dem IMP in Kiev gezeigt, dass in
nichtrostenden Stählen gelöster Stickstoff die Konzentration an freien Elektronen erhöht,
damit zu einer Nahordnung von Chromatomen führt und die Matrix gegen Phasenumwandlung
stabilisiert. Während Kohlenstoff die Bildung von Chromclustern fördert, fällt die Nahordnung
durch Lösen von N+C höher aus als durch N allein. Diese Erkenntnisse werden für zwei
Legierungsentwicklungen genutzt. (1) In Duplexstählen soll Stickstoff nach Lösungsglühen
und Abschrecken auf 600 bis 650 °C in den Austenit wandern und die Stabilität des geordneten Ferrits
gegenüber der 475 °C-Versprödung erhöhen. Ziel ist die Anhebung der bisherigen
Grenztemperatur von ca. 300 °C für den Warmbetrieb technischer Anlagen. (2) Durch Legieren mit
N+C = 0.5 Masse % soll ein kostengünstiger hochfester austenitischer CrMn-Stahl entstehen, der
unter Normaldruck erschmolzen und für verschleiß- oder crashresistente nichtrostente
Bauteile verwendet werden kann. Zur Bearbeitung von (1) und (2) werden u.a. thermodynamische
Rechnungen, Elektronenspinresonanz, Mössbauer-Spektroskopie, Dämpfung durch innere Reibung,
Röntgenbeugung
und Transmissionselektronenmikroskopie angewendet.
Drittmittelförderung
DFG
Laufzeit
03/2002 - 08/2005
Numerische Simulation der mikrostrukturellen Wechselwirkungen in ferritisch-austenitischen Duplex-Stählen unter statischer und zyklischer Beanspruchung
Leiter/Koordinator/Ansprechpartner Prof. Dr.-Ing. Michael Pohl
Am Vorhaben beteiligte Wissenschaftler Dipl.-Ing. Bertram Brust
Kurzbeschreibung
Ferritisch-austenitische Duplex-Stähle werden aufgrund ihrer hohen Korrosionsresistenz in vielen
Bereichen der Industrie, wie z. B. im Anlagenbau oder in der Kraftwerkstechnik eingesetzt. Dabei
unterliegen sie hohen mechanischen Belastungen, aus denen sich mikrostrukturelle Wechselwirkungen
zwischen der ferritischen und austenitischen Phase des Duplex-Stahls ergeben. Am Beispiel des
Duplex-Stahls 1.4462 soll anhand verschiedener Gefügeparameter der Einfluss dieser
mikrostrukturellen Wechselwirkungen auf die Spannungs- und Dehnungsverteilung im Werkstoff deutlich
gemacht werden. Das Verhalten des Werkstoffs soll dabei sowohl unter statischer als auch unter
zyklischer mechanischer Belastung untersucht werden. Hierzu wird ein dreidimensionales
Finite-Element Modell verwendet, das mithilfe von mechanischen Kennwerten ausgewählter ferritischer
bzw. austenitischer Vergleichswerkstoffe das Verhalten des Duplex-Stahls 1.4462 unter mechanischer
Belastung simulieren soll.
Drittmittelförderung DFG
Laufzeit 1999 - 2004
Erforschung metallkundlicher Vorgänge in der Inkubationsphase bei der Kavitationserosion
Leiter/Koordinator/Ansprechpartner Prof. Dr.-Ing. Michael Pohl
Am Vorhaben beteiligte Wissenschaftler M. Sc. Jorge Stella
Kurzbeschreibung
Die Schädigung durch Kavitation verringert häufig die Lebensdauer von hydraulischen Bauteilen, die
plötzliche Druckänderungen erfahren. Das Versagen kann durch geeignete Strömungsbedingungen
der Flüssigkeit beim Betrieb von Bauteilen und durch den Einsatz resistenterer Werkstoffe
verhindert werden. In diesem Projekt wird eine Untersuchung der Inkubationsphase bei
Kavitationserosion von metallischen Werkstoffen durchgeführt, da in dieser Phase relevante
Änderungen im Material stattfinden, die nachher Reißen und Volumenverlust hervorrufen. Um
dieses Ziel zu erreichen, wird die Charakterisierung von konventionellen Materialien durch
Rauhigkeit und Eigenspannungen vorgeschlagen. Außerdem ist eine Untersuchung der
Inkubationsphase von Cu-Basis (CuZnAl und Mn-Bonzen), NiTi und Fe-Basis Formgedächtnismaterialien
geplant, um die Hauptmechanismen bei der Kavitationsschädigung dieser Werkstoffsart zu ermitteln.
Drittmittelförderung
Laufzeit 1999 - 2004
SFB 459: Formgedächtnistechnik
Teilprojekt C3: Korrosions- und Verschleißeigenschaften von NiTi-Formgedächtnislegierungen (FGL) sowie die Entwicklung von Korrosions- und Verschleißschutzschichten
Leiter/Koordinator/Ansprechpartner Prof. Dr.-Ing. Michael Pohl
Am Vorhaben beteiligte Wissenschaftler Dipl.-Ing. Christian Heßing
Kurzbeschreibung
Die besondere Eigenschaft der FGL, bei Temperaturänderungen selbsttätig Formänderungen durchzuführen
oder ausgeprägt pseudoelastisch auf Spannungen zu reagieren, führt zu Einsatzfällen, in denen
sie Bewegungen ausführen. Der dabei auftretenden Reibung widerstehen sie in hohem Maße
und es kommt nur zu geringem Verschleißabtrag. Die dabei in der tribologisch beanspruchten
Randschicht ablaufenden Vorgänge sind bisher wenig untersucht und es ergeben sich durch die
Austenit/Martensit-Umwandlung Aspekte, die z.B. unter Kavitationsbeaufschlagung zu einer Art
"Trampolineffekt" führen könnten. Ein besseres Verständnis dieser Vorgänge dürfte bei
der Werkstoff- und Bauteiloberflächenertüchtigung von FGL gegen Verschleiß hilfreich
sein. Im Rahmen dieses Forschungsprojektes kommen Korrosions- und Verschleißschutzschichten
zur Anwendung, die sich bereits im Maschinenbau und in der Medizintechnik bewährt haben. Es wird
angestrebt, ein Schichtsystem zu entwickeln, das sowohl den Verschleiß- als auch den
Korrosionsanspruch erfüllt. Dies wird nur in Zuordnung zu bestimmten Dehnbeträgen möglich
sein.
Drittmittelförderung DFG
Laufzeit 01/2000 - 12/2002
Untersuchungen zu Eigenspannungen und Verzug in ferritisch-austenitischen Duplex-Stählen
Leiter/Koordinator/Ansprechpartner Prof. Dr.-Ing. Michael Pohl
Am Vorhaben beteiligte Wissenschaftler
Dipl.-Ing. Andreas Bracke
Dipl.-Math. Bertram Brust
Kurzbeschreibung
In nichtrostenden, ferritisch-austenitischen Duplex-Stählen liegen bedingt durch deren grob
zweiphasige Gefügestruktur auch im lösungsgeglühten Zustand komplexe
Eigenspannungszustände und plastischer Verzug vor. Ungünstige Überlagerungen von Betriebs-
und Eigenspannungen können zum frühzeitigen Versagen eines Bauteiles führen. Auf dem
Gebiet der noch relativ jungen, aber in der Anwendung stark zunehmenden DuplexStähle besteht im
allgemeinen noch ein erheblicher Forschungsbedarf, insbesondere aber auf dem Gebiet von
werkstoffbedingten Eigenspannungen II. Art und Verzug. In diesem Forschungsvorhaben soll der
Eigenspannungs- und Verzugszustand am Beispiel verschiedener, handelsüblicher lösungsgeglühter
Duplexlegierungen sowohl qualitativ als auch quantitativ beschrieben werden. Ziel ist es dabei, die
hauptsächlich die Eigenspannungen und den Verzug beeinflussenden Gefügeparameter der Guss- und
Knetlegierungen herauszuarbeiten. Daraus werden Hinweise sowohl für die Handhabung bei
Herstellung und Anwendung der Duplex-Stähle, als auch für die weitere Entwicklungsrichtung
dieser vielseitigen Werkstoffgruppe erwartet.
Drittmittelförderung DFG
Laufzeit 1995 - 2000
SFB 526: Rheologie der Erde -von der Oberkruste bis in die Subduktionszone
Teilprojekt A6: Festigkeit und Spannungsregime in der Oberkruste (Rummel/Pohl)
Arbeitsteil: Thermische Ermüdung
Leiter/Koordinator/Ansprechpartner Prof.Dr.-Ing. Michael Pohl
Am Vorhaben beteiligte Wissenschaftler Dipl.-Ing. Nebojsa Lakota
Kurzbeschreibung
Gegenstand dieses Projektes soll die Untersuchung der unterkritischen Rissausbreitung im Vergleich
zum stabilen (Prof. Rummel) und instabilen Risswachstum (Prof. Kalthoff) in Gesteinen sein. Durch
die Kooperation ist damit die Palette der wesentlichen Rissausbreitungsmöglichkeiten abgedeckt.
Die zeitraffende experimentelle Simulation der unterkritischen Rissausbreitung soll durch
Spannungszyklen thermisch in Laserversuchen unter Behinderung der thermischen Volumendehnung
erfolgen. Mechanische und thermische Ermüdungsversuche sollen von Raumtemperatur bis in den
Hochtemperaturbereich durchgeführt werden. Die Berechnung der dreidimensionalen
Temperaturfelder und der mehrachsigen Spannungsverteilungen soll mit Hilfe von FEM-Modellierungen
erfolgen. Untersuchungsinhalte sind z.B. der Einfluss der Mehrphasigkeit, die 3-dimensionale
Formation von Rissfeldern sowie die Untersuchung des Spröd-Duktil-Übergangs.
Werkstoffkundlich ist dabei vor allem die Ermittlung der Schädigungsmechanismen von Interesse.
Bruchmechanische Analysen des Risswachstums in Abhängigkeit von der Zyklenzahl und/oder der Zeit
können
zur Quantifizierung der Schädigung eingesetzt werden. Sie dienen der Skalierung sowie der
Übertragbarkeit
der Untersuchungsergebnisse auf reale technische und geologische Strukturen.
Kooperationen:
Institut für Geophysik, Prof. Dr. F. Rummel
Institut für Mechanik, Arbeitsgruppe für Experimentelle Mechanik, Prof. Dr.-Ing. J. F.
Kalthoff
Drittmittelförderung DFG
Laufzeit 03/2000 - 06/2002
Charakterisierung laserinduzierter Oberflächenoptimierung von Hochleistungskeramiken
Leiter/Koordinator/Ansprechpartner Prof. Dr.-Ing. Michael Pohl
Am Vorhaben beteiligte Wissenschaftler Dipl.-Ing. Marion Schaus
Kurzbeschreibung
Die Oberflächenbearbeitung keramischer Werkstoffe mit Laserstrahlen bietet wirtschaftliche
Möglichkeiten
zur Verbesserung von Bauteileigenschaften. Dazu ist eine genaue Kenntnis der beim
Bearbeitungsprozess entstehenden Oberflächenausbildung und den daraus resultierenden
Bauteileigenschaften erforderlich. Mit Nd-YAG-Laserstrahlen sollen Oberflächen von Siliziumnitrid-
und Siliziumkarbidkeramiken gezielt eingestellt werden. Die tribologischen Eigenschaften der
erzeugten Oberflächen sollen durch das Prüfverfahren Kavitationserosion gegeneinander
abgegrenzt werden. Eine Beurteilung der Oberflächenentstehungs- und -schädigungsmechanismen soll
außerdem
durch mikroskopische und analytische Untersuchungen erfolgen. Ziel des Vorhabens ist es, durch
Charakterisierung und Prüfung der laserbearbeiteten Oberflächen Möglichkeiten zur
fertigungsgerechten Oberflächenbeschreibung in der Endbearbeitung keramischer Bauteile abzuleiten.
Drittmittelförderung DFG
Laufzeit 01/1995 - 12/1997
Legierungsentwicklung von ferritisch-austenitisch-karbidischen Gußlegierungen
Leiter/Koordinator/Ansprechpartner Prof. Dr.-Ing. Michael Pohl
Am Vorhaben beteiligte Wissenschaftler Dr.-Ing. Frank Wischnowski
Kurzbeschreibung
Die hoch chromhaltigen ferritisch-austenitischen Duplex-Stähle werden seit den fünfziger Jahren
als Flacherzeugnisse, Form- und Schmiedestücke im Bereich der chemischen Industrie und des
Maschinenbaus dort eingesetzt, wo neben guter allgemeiner Korrosionsbeständigkeit höhere
mechanische Belastbarkeit gefragt ist. Neue chemische Verfahren und Entwicklungen, vor allem auf dem
Gebiet der Umwelttechnik, im Bereich der Erdgas- und Erdölgewinnung sowie der Meerestechnik,
stellen immer höhere Anforderungen an die korrosionschemischen und mechanischen Eigenschaften
der Werkstoffe. So haben chemisch beständige Stähle mit einem zweiphasig aus Ferrit und Austenit
aufgebauten Gefüge in der Vergangenheit zunehmend an Bedeutung gewonnen. Ziel des
Forschungsprojektes ist es, eine hinsichtlich der Verschleiß -und Korrosionsresistenz optimierte
Laborlegierung für den Einsatz in Pumpenlaufrädern zu entwickeln.
Kooperationen VGB, Vereinigung der Großkraftwerksbetreiber
Drittmittelförderung
Wirtschaft, Private Einrichtungen
VGB, Vereinigung der Großkraftwerksbetreiber
Laufzeit 06/1995 - 06/1998
Optimierung metallischer und keramischer Hochtemperaturwerkstoffe und Beschichtungen für den Einsatz in reaktiven Medien
Leiter/Koordinator/Ansprechpartner Prof. Dr.-Ing. Michael Pohl
Am Vorhaben beteiligte Wissenschaftler
Prof. Dr.-Ing. Michael Pohl
Dipl.-Ing. Marion Schaus
Kurzbeschreibung
Hochtemperaturwerkstoffe werden bei technischen Prozessen häufig stark schwankenden
Betriebstemperaturen ausgesetzt. Die zeitraffende Ermittlung ihres Temperaturwechselverhaltens unter
Variation der zeitlichen und thermischen Parameter ist daher von großem Interesse. Durch
Nd-YAG-Laserpulse werden thermoschockbeständige Werkstoffe thermozyklisch belastet. Die
Laserapparatur ermöglicht ein Aufheizen auf Temperaturen über 1000°C im
Millisekundenbereich mit einer Energie bis zu 55J pro Puls. Durch die Wahl der Laserparameter lassen
sich definierte Temperaturgradienten in Verbindung mit einer Anzahl von Lastwechseln pro Zeiteinheit
einstellen. Dabei werden Spannungen induziert, die zur Schädigung der Werkstoffe durch
Risseinleitung und/oder Rissfortschritt führen können. Die Quantifizierung der
Oberflächenschädigung erfolgt durch ein Prüfverfahren, bei dem Werkstoffabtrag durch
Kavitationserosion das Maß der Vorschädigung durch die laserinduzierte Thermoermüdung
darstellt. Untersuchungen zu den Versagensmechanismen erfolgen mit Hilfe von Licht- und
Elektronenmikroskopie.
Kooperationen Deutsche Forschungsanstalt für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR), Köln
Drittmittelförderung
Sonstige Ministerien und Behörden des Landes NRW
Arbeitsgemeinschaft Solar, Nordrhein-Westfalen
Laufzeit 07/1991 - 12/1994
Optimierung der Gebrauchseigenschaften von Mehrstoffaluminiumbronzen durch Laserstrahloberflächenbehandlung
Leiter/Koordinator/Ansprechpartner Prof. Dr.-Ing. Michael Pohl
Am Vorhaben beteiligte Wissenschaftler Dipl.-Ing. Ladji Tikana
Kurzbeschreibung
Kupfer-Aluminium-Mehrstoffbronzen werden in weiten Bereichen des allgemeinen Maschinenbaus, der
chemischen Industrie und der Schiffstechnik eingesetzt. Deshalb sollen sie über einen möglichst
hohen Verschleißwiderstand gegenüber Adhäsiv- und Abrasivverschleiß sowie gegen
Kavitationserosion bzw. -korrosion verfügen. Die aus dem Primärgusszustand dieser Legierungen
entstehenden Gefüge weisen jedoch in der Regel ein grobes ungleichmäßiges
Erscheinungsbild und daraus resultierende minderwertige Gebrauchseigenschaften auf. Aufgrund der
anwendungsspezifischen komplexen Oberflächen- und Strukturbelastungen kann es zum schnellen Versagen
von Bauteilen kommen, die aus Kupfer-Aluminium-Mehrstoffbronzen hergestellt sind. In diesem Projekt
wird mithilfe gezielter Randschichtmodifikation durch Laseroberflächenbehandlung in Form von
Umschmelzen eine gradiente Struktur des Werkstoffes hinsichtlich Gefüge, Härte und Festigkeit
erreicht. Dabei gilt es, die Wechselwirkungen zwischen Laserstrahl und Ausgangsgefüge zu
erforschen und die daraus resultierenden Strukturveränderungen zu charakterisieren.
Kooperationen Universität Rostock, Institut für Werkstoffkunde
Drittmittelförderung DFG
Laufzeit 01/1997 - 01/1999