Characterization of the influence of laser cut surfaces on the fatigue behavior of Ti-6Al-4V-ELI
Mechanical Properties of Metallic Materials and their Microstructural Origins
Final Report Abstract
Im Rahmen des bearbeiteten Projektes wurde der Einfluss des Laserstrahlschneidens auf die Schwingfestigkeiten der Titanlegierung (α+β)-Ti-6Al-4V-ELI (nach ISO 5832-3) untersucht und bewertet. Dafür wurden aus dem Blechhalbzeug Ermüdungsproben herausgetrennt und in 3 Chargen mit den Oberflächenqualitäten lasergeschnitten (Ausgangszustand), gleitgeschliffen und mechanisch poliert geprüft. Untersuchungen zur Schnittkantenqualität und der durch den Wärmeeintrag hervorgerufenen mikrostrukturellen Veränderungen der Randzone wurden dokumentiert und interpretiert. Fraktographische Analysen an versagten Proben zur Ermittlung der Rissinitiierungsorte trugen zum Gesamtverständnis in Bezug auf den Einfluss des Laserschnittes bei. Ergebnisse zeigten eine signifikante Abhängigkeit erreichbarer maximaler Schwingfestigkeiten von der Oberflächenqualität und der damit im Zusammenhang stehenden Ausbildung von Mikrokerben an der Schnittkante. Die geringsten Schwingfestigkeitswerte wurden hierbei für den Ausgangszustand ohne Oberflächennachbehandlung ermittelt, was vor allem auf das ausgeprägte Schnittkantenrelief (Rauigkeit erhöht Kerbwirkung) zurückgeführt wurde. Die mechanischen Nachbehandlungen erhöhten die erreichbaren Schwingfestigkeiten hierbei erheblich, da die Rauhigkeit effektiv minimiert und die martensitische Randzone abgetragen wurde. Die Ergebnisse belegen hierbei die dringend erforderliche Oberflächennachbehandlung um das Werkstoffpotential der Legierung voll auszuschöpfen und ein vorzeitiges Versagen zu verhindern. Eine werkstoffspezifische Optimierung der Laserschnittparameter sowie des Nachbehandlungsverfahrens lassen eine deutlich verbesserte Ausschöpfung des eigentlichen Festigkeitspotentials der Legierung erwarten. Unter diesen Voraussetzungen lässt sich das Laserschneiden zukünftig nicht nur aufgrund seiner Wirtschaftlichkeit, Flexibilität und zeitlichen Effektivität für nichttragende Komponenten sondern auch für Anwendungen mit hoher Überlebenswahrscheinlichkeit bei zyklischer Beanspruchung qualifizieren.
Publications
- Fatigue Behavior of Non-Optimized Laser-Cut Medical Grade Ti-6Al-4V-ELI Sheets and the Effects of Mechanical Post-Processing in: Metals 2019, 9(8), 843
A. Reck, A. T. Zeuner, M. Zimmermann
(See online at https://doi.org/10.3390/met9080843)
