H.-W. Zoch

Co-Extrusion of Aluminium-Titanium-Compounds

The combination of different metallic materials enables the design of lightweight structures with tailor-made properties at global as well local scale and offers great potential for advanced solutions especially for the aircraft and automobile sector. Whereas titanium alloys show particular high mechanical strength and good corrosion resistance, aluminium alloys provide a considerable lower density and consequently higher potential for weight savings. However, after conventional fusion joining, e.g. after laser beam welding, heat affected zones, porosity or grain growth may occur and impair the local properties [1, 2]. In contrast, by solid-state joining techniques like co-extrusion these disadvantages can be avoided. Therefore co-extrusion exhibits an attractive solution for long products combining aluminium and titanium based alloys. Current investigations have been focused on the co-extrusion of aluminium and titanium, where titanium is the reinforcing element that is inserted in aluminium profiles. Two different billet variants were examined in the investigations, a titanium-core integrally moulded in the aluminium-billet and titanium-core inserted in a hollow drilled aluminium-billet. Experiments were made with different material combinations, Al99.5 with titanium grade 2 and AlSi1MgMn with Ti6Al4V. Beside mechanical properties of compound the formation of bonding zone are presented.

Härten von Mikrobauteilen aus Stahl im Fall

Kurzfassung Um den gestiegenen Anforderungen an die Fertigung von Kleinstbauteilen hinsichtlich Baugröße, Stückzahl, Kosten und Qualität gerecht zu werden, müssen neue Fertigungsprozesse entwickelt werden. Mit den dabei auftretenden Herausforderungen beschäftigt sich der Sonderforschungsbereich 747 „Mikrokaltumformen“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft an der Universität Bremen. Ein elementarer Prozessschritt in der Fertigung ist die Wärmebehandlung. Sie dient einerseits dazu, die Umformeigenschaften durch Glühbehandlungen einzustellen und andererseits, die Gebrauchseigenschaften z.B. hinsichtlich Festigkeit zu optimieren. Zum Vergüten von Kleinstbauteilen aus Stahl wurde eine Anlage zur Wärmebehandlung im Fall entwickelt, um die Problematik des Chargierens der filigranen und empfindlichen Teile zu umgehen. In einem 5,5 m langen vertikalen Rohrofen konnten Bauteile aus der Stahlsorte C100 ab 1100 °C austenitisiert und durch abschließende Wasser-bzw. Luftabschreckung gehärtet werden. Erreicht wurde eine resultierende Härte von fast 1050 HV 0,005, bei einer Ausgangshärte von 254 HV 0,005.

Bainite Sensor – A new tool for process and quality control of the bainite transformation*

Abstract A non-destructive online measurement system called “Bainite Sensor” is developed for the application of monitoring bainite transformation in salt bath adapted heat treatment equipments, nowadays controlled by computer assisted features. The measurement procedure is based upon eddy current harmonic analysis. Electrical and magnetic properties are measured and correlated to the relevant material properties. The Bainite Sensor device, housed temperature resistant and vacuum sealed, can also to be used for online process control. The system was studied carefully during an applied research program. Many experiments controlling the influence of sensitive parameters, such as state of austenitization and bainite transformation conditions of several ball bearing steels have been made and results evaluated. The investigations show that the Bainite Sensor allows the continuous in situ measurement of the bainite transformation. The most important constituent of the microstructure is the proportion of mother-austenite, which is measured continuously. It is possible to reproduce process cycles with a defined fraction of residual austenite as well as finishing the bainite transformation with any content of retained austenite without any delay by a time security factor. The application of the Bainite Sensor makes the bainitic treatment for hardening more reproducible, well directed and more economical. This innovation will improve the industrial competitiveness and foster the development of energy-efficient low-cost quality-assured bainitic treatment routines featuring of by improved properties such as reduced distortion, increased toughness, and sufficient surface hardness.

Kurzzeit-Rekristallisationsglühen von Mikrobauteilen aus X5CrNi18-10 im Fallrohrofen∗∗

Kurzfassung Um den gestiegenen Anforderungen an die Prozesse zur Fertigung von Kleinstbauteilen hinsichtlich Baugröße, Stückzahl, Kosten und Qualität gerecht zu werden, wurde der Sonderforschungsbereich 747 „Mikrokaltumformen“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft an der Universität Bremen initiiert. Ein elementarer Prozessschritt in der Fertigung ist die Wärmebehandlung. Sie dient einerseits dazu, die Umformeigenschaften durch Glühbehandlungen einzustellen und andererseits, die Gebrauchseigenschaften z. B. hinsichtlich Festigkeit zu optimieren. Für Kurzzeitwärmebehandlungen von Kleinstbauteilen zum Beispiel aus Stahl wurde eine Anlage zur Wärmebehandlung im Fall entwickelt. In einem 5,5 m langen vertikalen Rohrofen wurden rundgeknetete Bauteile aus dem austenitischen Stahl X5CrNi18-10 bei verschiedenen Temperaturen sehr feinkörnig und homogen rekristallisiert.

Analyse der Grenzschicht zwischen Aluminium und Titan nach dem Verbundstrangpressen

Abstract The combination of different metallic materials enables the design of lightweight structures with tailor-made properties. In contrast to conventional joining methods, for example fusion welding, by co-extrusion no degradation occurs in the materials structure in the form of heat affected zones or pore formation. Therefore, co-extrusion exhibits an attractive alternative for joining aluminium and titanium based alloys. The performed extrusion experiments were focused on the co-extrusion of aluminium (EN AW-6082) and titanium (TiAl6V4), where titanium is the reinforcing element that is inserted in aluminium profiles. During co-extruding an intermetallic layer with a thickness of 1 to 3 µm arises in the bonding zone between aluminium and titanium. In this layer an enrichment of elements of the aluminium alloy, such as silicon, was observed. The formation of the intermetallic layer and the strength of the compounds were examined at various positions after the co-extrusion and after subsequent heat treatment. The investigation of the intermetallic layer was performed with light optical microscope, scanning electron microscope and electro probe micro analysis. The mechanical properties were determined by tensile tests. The heat treatment led to the intended hardening of the aluminium alloy. However, the layer thickness did not change. The tensile tests specimen showed different failure locations. The heat treatment led to increased tensile strength values, but also to a decreased yield strength level.

Wirkung der Wärmebehandlung auf den Verzug geschweißter Aluminiumstrukturen – eine Herausforderung für den Flugzeugbau

Kurzfassung Das thermische Fügen in Kombination mit einer abschließenden Wärmebehandlung ist seit Jahren ein wichtiger Bestandteil bei der Herstellung von großen Strukturbauteilen im Flugzeugbau. Die nach der Wärmebehandlung auftretenden Konturabweichungen haben allerdings häufig aufwändige Rückformprozesse zur Folge, die die Wirtschaftlichkeit dieser Fertigungsroute beeinträchtigen. Der Prozess der Wärmebehandlung trägt jedoch nur anteilig zum Gesamtverzug bei. Vielmehr ist auch bei der Fertigung großer Strukturbauteile die gesamte Fertigungskette zu betrachten. Im Folgenden werden experimentelle Untersuchungen beschrieben, die die Wechselwirkung der verschiedenen Fertigungsprozesse entlang der Prozesskette systematisch beschreiben. Die Ergebnisse zeigen, dass bereits bei der Herstellung der Bleche wesentliche Verzugspotenziale eingebracht werden, die jedoch erst nach der Wärmebehandlung ihre Wirkung zeigen.

Kontinuierliche Zeit-Temperatur-Ausscheidungs-Diagramme der Aluminiumlegierungen EN AW-7020 und EN AW-7050∗

Kurzfassung Ausscheidungshärten ist einer der wichtigsten Prozesse, um die Festigkeit von Aluminiumlegierungen zu steigern. Es besteht aus den Schritten Lösungsglühen, Abschrecken und Auslagern. Für die Bestimmung der optimalen Abschreckparameter sowie für Wärmebehandlungssimulationen ist es wichtig, das temperatur- und zeitabhängige Ausscheidungsverhalten bei kontinuierlicher Abkühlung zu kennen. Bisher existieren aber nahezu keine kontinuierlichen Zeit-Temperatur-Ausscheidungs-Diagramme für Aluminiumlegierungen. Die stattdessen verwendeten isothermischen Zeit-Temperatur-Ausscheidungs-Diagramme oder vorgegebene mittlere Abschreckraten erlauben zwar eine Abschätzung der Abschreckprozesse, aber sie liefern keine zufriedenstellenden Ergebnisse für Härtereien oder Wärmebehandlungssimulationen. Die thermische Analyse, insbesondere die Differential Power Scanning Calorimetry (DPSC), stellt einen vielversprechenden Ansatz zur Messung von kontinuierlichen Zeit-Temperatur-Ausscheidungs-Diagrammen dar, falls das DPSC-Gerät die erforderlichen Abschreckgeschwindigkeiten erreichen kann. Für die Aluminiumlegierungen EN AW-7020 (EN AW-AlZn4,5Mg1) und EN AW-7050 (EN AW-AlZn6CuMgZr) konnten kontinuierliche Zeit-Temperatur-Ausscheidungs-Diagramme aufgestellt werden. Bei EN AW-7020 konnte eine kritische Abkühlgeschwindigkeit von 155 K/min ermittelt werden, oberhalb welcher keine Ausscheidungen beim Abkühlen mehr gebildet werden. Des Weiteren wurden zur Charakterisierung Härteprüfungen, metallographische Analysen mittels Licht- und Transmissionselektronenmikroskop und Wiedererwärmversuche in der DPSC durchgeführt. Hierbei konnte eine gute Übereinstimmung der Ergebnisse mit den kontinuierlichen Zeit-Temperatur-Ausscheidungs-Diagrammen festgestellt werden.

Einflussfaktoren auf die Wechselfestigkeit laserstrahlbeschichteter Proben

Kurzfassung Das Laserstrahlbeschichten wird als Reparaturverfahren von Bauteilen und zur Auftragung von Funktionsschichten eingesetzt. Über die Ermüdungseigenschaften laserstrahlbeschichteter Bauteile existieren jedoch nur wenige Untersuchungen. Aus diesem Grund wird in dieser Veröffentlichung das Ermüdungsverhalten von Vierpunktbiegeproben aus dem Vergütungsstahl 42CrMo4 und dem austenitischen Stahl X5CrNi18-10 untersucht, die mit der Kobalt-Chrom-Legierung Stellite 21 laserstrahlbeschichtet wurden. Hierbei zeigte sich, dass der Kernwerkstoff einen entscheidenden Einfluss auf die Wechselfestigkeit der Proben hat. Die Proben aus X5CrNi18-10 erreichten mehr als die doppelte Wechselfestigkeit der Proben aus 42CrMo4, was auf unterschiedliche Eigenspannungszustände in der Beschichtung zurückgeführt wird. Bei den Proben aus 42CrMo4 zeigten thermische Nachbehandlungsverfahren keinen Einfluss auf die Wechselfestigkeit, während sich nach einer mechanischen Nachbehandlung durch Festwalzen die Wechselfestigkeit der Proben um den Faktor zwei steigerte.

Process Analysis of the Co-Extrusion of Aluminum and Titanium Alloys

This document provides the results of the process analysis of the co-extrusion of aluminum and titanium alloys. The compound consists of the slave material aluminum and the core material titanium. The investigation determines the influence of the parameters billet temperature, press ratio and core length on the process. The material combinations used for the experiments were Al99,5 — Ti Grade 2, and EN AW — 6082 — TiAl6V4. The titanium core material was inserted in a drilled and machined aluminum billet. Furthermore, mechanical properties of the interface were determined by tensile tests. Additionally, the formation of the interface was characterized by scanning electron microscopy, electron probe micro analysis and electron backscatter diffraction. The aim of the presented investigations is to show the technical feasibility of the co-extrusion of aluminum-titanium-compounds and to control the growth of intermetallic phases in the interface to increase the mechanical properties.

Ursachen und Einflussgröβen des Verzugs in der Prozesskette eines Aluminium-Druckgussbauteiles*

Kurzfassung Die Wirtschaftlichkeit von Produktionsabläufen ist eng mit der fortlaufenden Weiterentwicklung der Fertigungsprozesse verknüpft. Nach der abschlieβenden Wärmebehandlung in der Herstellungskette von Aluminium-Vacural-Druckgussbauteilen treten häufig Maβ- und Formänderungen auf, die ein Richten erfordern. Die Einflussparameter auf die Verzugsgröβe sind jedoch vielschichtig und insbesondere die Verzugsmechanismen sind häufig unbekannt. Mittels eines systemorientierten Ansatzes nach dem Distortion Engineering wurde das Verzugsverhalten entlang der Fertigungskette eines Aluminium-Druckgussbauteils untersucht. Auch nach optimierter Chargierung wurden signifikante Formabweichungen nach dem Lösungsglühen sowie nach dem Gieβen und Abschrecken festgestellt. Auf Basis verzugssensitiver Produktionsschritte und der Kenntnis verzugskritischer Bauteilbereiche wurden Kompensationsstrategien abgeleitet, die Richtaufwendungen am Ende der Fertigungskette vermeiden können.