Friction surfacing of titanium grade 1 and Ti-6Al-4V
Creators: name: Fitseva, Viktoria
Publisher: name: TUHH Universitätsbibliothek
Year: 2017
Subjects: subject: Friction surfacing
subject: Titanium
classificationCode: 620
subject: Ingenieurwissenschaften

description: Das Reibauftragschweißverfahren ist eine relativ neue und vielversprechende Technologie zur Oberflächenmodifikation technischer Komponenten. Hierbei können Beschichtungen zur lokalen Eigenschaftsänderung oder zu Reparaturzwecken erzeugt werden. Das Hauptmerkmal dieses Verfahrens, im Vergleich zu konventionellen Beschichtungsmethoden, ist, dass die Schichten in der Festphase aufgetragen werden. Durch die eingebrachte massive plastische Verformung des Werkstoffes ändert sich die Mikrostruktur und es entsteht ein vollständig rekristallisiertes Gefüge. Die Korngröße der entstandenen Schichten ist im Regelfall kleiner als die des Ausgangsmaterials, was zu verbesserten mechanischen Eigenschaften führt. Weil das Reibauftragschweißen ein relativ neues Verfahren ist, sind einige der möglichen Materialkombinationen in artgleichen und artfremden Paarungen noch unerforscht. Aufgrund dessen, dass Titanlegierungen als Ausgangswerkstoff kostspielig sind, sind neue Technologien, welche die Produktionskosten reduzieren können, von großem Interesse. Mit dem Reibauftragschweißen bietet sich ein Beschichtungsverfahren an, welches auch modernen Ansprüchen an die Umweltverträglichkeit gerecht wird. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, Schichten aus Titanlegierungen mittels Reibauftragschweißen aufzutragen. Dafür wurde die Prozessentwicklung für die Werkstoffe Ti-6Al-4V und Ti-Gr.1 realisiert. Titanlegierungen weisen ein komplexes Umformverhalten bei hohen Temperaturen auf, insbesondere, wenn sie sowohl den alpha-beta-, als auch den beta-Phasenbereich beim Umformen durchlaufen. Hierbei sind Dehnratenempfindlichkeit und Fließinstabilität charakteristisch für Titanlegierungen, was die Verarbeitung beim Reibauftragschweißen erschweren kann. Diese Schwierigkeiten wurden durch die systematische Erarbeitung geeigneter Prozessparameter und einer zielführenden Prozesssteuerung überwunden. Es wurde ein breites Parameterfenster etabliert, innerhalb dessen zwei verschiedene Regimes der Drehzahlen gefunden wurden, zwischen denen sich das Materialverhalten deutlich unterscheidet. Das niedrige Drehzahl-Regime weist dabei Veränderungen in der Prozesstemperatur auf, welche die Fließeigenschaften des Werkstoffs beeinflussen, was wiederum zu einer Wulstbildung an den Schichten führt. Die Mikrostruktur in diesem Regime offenbart feine, dynamisch rekristallisierte Körner. Dazu gegensätzlich weist das hohe Drehzahl-Regime eine höhere resultierende Temperatur auf, die in diesem Bereich nicht variiert. Die konstante Temperatur führt zu einem stabilen Materialfließverhalten und ermöglicht damit eine dementsprechend wulstfreie Realisierung von Schichten. Allerdings führen diese hohen Temperaturen zu einem Anstieg in der Korngröße. Die in Bezug auf die Korngröße unterschiedlich entwickelte Mikrostruktur zeigte keinen Einfluss auf das Schwingungsverschleißverhalten der Schichten. Die Verschleißeigenschaften der Schichten und des Grundwerkstoffs erwiesen sich als vergleichbar. Im Zuge von Mikroflachzug-Tests offenbarten die Schichten eine erhöhte Festigkeit mit leichten Einbußen in der Duktilität, was ein charakteristisches Verhalten für dynamisch rekristallisierte Werkstoffe bei Vorhandensein von Restverformung ist. Somit konnte gezeigt werden, dass das Reibauftragschweißen als Reparaturmethode für Titan- Bauteile, grundsätzlich in Betracht gezogen werden kann.
description: The friction surfacing process is a relatively novel and promising surface modification technology, by which coatings can be deposited as a protection or surface repair method. The main feature of this process, compared with other technologies, is that the coatings are deposited in solid state phase. Therefore, the induced massive deformation alters the initial microstructure of the materials, resulting in a fully recrystallised microstructure of the coatings. Typically, the grain size of the coating is smaller than that of the raw material, which leads to improved mechanical properties. Since the process is a relatively new technology, several possible material combinations in similar or dissimilar configurations are unexplored. Titanium alloys are rather expensive. Therefore, new technologies are required to keep the production cost at an acceptable level and offer an additional cladding process that is environmental friendly. The aim of the current work was to deposit coatings from the titanium alloys by friction surfacing. Process development for Ti-6Al-4V alloy and Ti-Gr.1 as coating materials to be deposited by friction surfacing was carried out. At high temperatures titanium alloys exhibit complex deformation behaviour, particularly when passing through the alpha-beta phase transformation and in the beta phase state. Strain rate sensitivity and flow instabilities are characteristics of Ti-based materials that may hinder the deposition process. These difficulties were overcome by the selection of an adequate process control method and a systematic choice of process parameter combinations. A broad range of parameter sets for titanium depositions has been established, whereby two different acting rotational speed regimes were observed. The low rotational speed regime revealed variations in the process temperature, which influenced the material flow behaviour leading to flash generation at the coating. The microstructure in this regime consists of refined dynamically recrystallised grains. In contrast, the high rotational speed regime revealed a higher resulting temperature, which did not vary in this range. This constant temperature led to stable material flow behaviour and flash-free coatings were deposited. However, the high temperature influenced the grain size of the coatings resulting in coarse grains. Still, these differences in the grain size did not influence the fretting wear behaviour of the coatings. The investigation of fretting wear experiments exposed a similar behaviour of friction surfacing coatings and the base material. In micro tensile tests the coatings exhibited an increase in strength but a decrease in ductility, which is typical for dynamically recrystallised materials, which contain residual deformation. Therefore, it could be shown that friction surfacing can be considered as a repair method for titanium parts.