Randstruktur und Dauerfestigkeit laserstrahlbeschichteter Proben
Final Report Abstract
Das Laserstrahlbeschichten wird vermehrt als Reparaturverfahren von Bauteilen eingesetzt. Die Schwingfestigkeit derart beschichteter Bauteile wurde jedoch bislang wenig untersucht. Aus diesem Grund wurden in diesem Forschungsvorhaben die Dauerfestigkeiten von Vierpunktbiegeproben aus dem Vergütungsstahl 42CrMo4 und dem austenitischen Stahl X5CrNi18-10, die mit Stellite 21 beschichtet wurden, ermittelt. Neben dem Einfluss der Beschichtungsparameter wurde der Einfluss unterschiedlicher Nachbehandlungsverfahren untersucht. Begleitend hierzu wurden die Dauerfestigkeiten der Proben mit einem erweiterten Fehstellenmodell modelliert. Die Schwingfestigkeitsprüfung der Grundwerkstoffe ergab für wechselnde und schwellende Belastungen eine höhere Dauerfestigkeit des Stahls 42CrMo4 gegenüber dem Stahl X5CrNi18-10. Nach dem Beschichten lagen jedoch die Dauerfestigkeiten der beschichteten Proben mit 42CrMo4-Kern deutlich unterhalb der Dauerfestigkeiten der Proben mit X5CrNi18-10-Kern. Unter der Bedingung, dass kein Versagen in den Kernwerkstoffen der beschichteten Proben auftritt, wie es in diesem Forschungsvorhaben der Fall war, lässt sich schlussfolgern, dass die mechanischen Eigenschaften des Substratwerkstoffs keinen Einfluss auf die Dauerfestigkeiten der beschichteten Proben haben. Dennoch beeinflusst der Kern die resultierende Dauerfestigkeit der Proben. Das Verhältnis der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zeigt in dieser Untersuchung einen entscheidenden Einfluss auf die Dauerfestigkeit der Proben. Für den Fall, dass die Beschichtung einen kleineren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als der Kernwerkstoff, wie es bei der Stellite-21-X5CrNi18-10-Kombination der Fall ist, bilden sich beim Abkühlen der Proben nach dem Beschichtungsprozess Druckeigenspannungen in der Beschichtung. Weist hingegen die Beschichtung einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als der Kernwerkstoff auf, wie es bei der Stellite-21-42CrMo4-Paarung der Fall ist, bilden sich während der Abkühlung Zugeigenspannungen in der Beschichtung, welche die Dauerfestigkeit der Proben deutlich herabsetzen. Sowohl durch eine Variation der Beschichtungsparameter als auch durch unterschiedliche thermische Nachbehandlungsverfahren konnte dieser ungünstige Effekt nicht abgemildert werden. Es zeigte sich, dass im Fall von einem für die Dauerfestigkeit ungünstigen Verhältnis der thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Schicht und Kern mechanische Nachbehandlungsverfahren, deren Tiefenwirkung sich mindestens über die gesamte Schichtdicke erstreckt, die Dauerfestigkeit der beschichteten Proben auf ein für den industriellen Einsatz relevantes Niveau zu steigern. Die erwarteten hohen lokalen Zugeigenspannungen in der Beschichtung der 42CrMo4-Proben konnten aufgrund des groben Korns und der gerichteten Erstarrung der Beschichtung röntgenografisch nicht nachgewiesen werden. Während die Dauerfestigkeit der Stelliteoberfläche mit dem erweitertem Fehlstellenmodell zufriedenstellend modelliert werden konnte, wurde die Dauerfestigkeit des Stellitevolumens mangels Daten über die lokalen Eigenspannungen deutlich überschätzt. Dennoch konnte eine Modifikation des erweiterten Fehlstellenmodells erfolgreich erprobt werden, bei der im Fall von hohen Zugeigenspannungen und positiven Mittelspannungen die auftretende plastische Verformung berücksichtigt wird, welche die schädliche Wirkung von Zugmittelspannungen mildert. Mit dieser Erweiterung ist es möglich, die bei schwellender Belastung gegenüber wechselnder Belastung erhöhte experimentell ermittelte Dauerfestigkeit modellhaft abzubilden.
Publications
- An approach to calculate fatigue properties of laser cladded components. Production Engineering Research and Development 6 (2012), S. 137-148
Koehler, H.; Schumacher, J.; Schuischel, K.; Partes, K.; Bomas, H.; Jablonski, F.; Vollertsen, F.; Kienzler, R.
(See online at https://doi.org/10.1007/s11740-012-0369-7) - Einflussfaktoren auf die Wechselfestigkeit laserstrahlbeschichteter Proben. HTM J. Heat. Treatm. Mat. 69 (2014) 5, S. 282-294
Schumacher, J.; Köhler H.; Clausen, B.; Zoch, H. W.
(See online at https://doi.org/10.3139/105.110239)
