S01 - Schnellerstarrte Makroproben

Ein adaptiertes Zerst?ubungsystem unter Verwendung eines Close-Coupled Zerst?ubers (kurz: CCA) wurde für das Sprühkompaktieren von Rohren entwickelt und mit einer Hei?gaszerst?ubung (neues Verfahren für das Sprühkompaktieren) kombiniert, um das Kompaktierergebnis zu verbessern sowie das bestehende Pro-zessfenster zu erweitern. Das Prinzip wurde sowohl für Fe- als auch für Al-Basislegierungen verfügbar gemacht. Zur Erfassung der Kompaktierbedingungen der Tropfen wurden Laser-Doppler-Anemometer, Quotientenpyrometer und Thermokamera eingesetzt.

Das hier verwendete Prinzip zur Herstellung von rasch erstarrten Makroproben (Fe- und Al-Basis) ist in Abbildung 1a dargestellt. Unter Verwendung des CCA entsteht ein rohrf?rmiges Deposit durch Rotation und axialen Vorschub des Substratrohres (Durchmesser 90, 115, 133 mm) mit Schichtdicken zwischen 5 und 15 mm. Die Depositoberfl?chentemperaturen wurden berührungslos und die Substrattemperaturen mittels Thermoelementen ebenfalls kontinuierlich gemessen. Aus den ringf?rmigen Depositen (Abbildung 2) wurden Ringsegmente entnommen und durch Warmwalzen (TP S02) umgeformt. Aus den Ringsegmenten wurden Proben zur Messung der Porosit?t und zur Charakterisierung des Gefüges entnommen. Die Makroproben wurden in den Teilprojekten (D) ben?tigt, um Prozessparameter für die Datenbank zu ermitteln und fungierten als Stützstellen für die Pr?diktorfunktion (P01).

Aus den rasch erstarrten Rohrdepositen wurden Ringsegmente entnommen, um die Porosit?t am unge?tzen Schliff über eine Bildanalyse zu bestimmen. Diese Ergebnisse (CCA) wurden über der relativen Depositschichtdicke aufgetragen (Abbildung 3) und mit der Porosit?t verglichen, die für das gleiche Material unter Verwendung eines Freifall-Zerst?ubers (FFA) erzielt wurden. Mit dem CCA konnte der por?se Bereich (Porosit?t gr??er als 1%) sowohl in Substratn?he als auch Oberfl?chennah deutlich verringert werden. Wegen der geringen Porosit?t konnte die komplette Probendicke durch Warmwalzen weiterverarbeitet und die Materialausbeute deutlich erh?ht werden.

Es wurde angenommen, dass sich die Schichtdicke durch ein Doppeldüsensystem noch vergr??ern l?sst. Das Doppeldüsensystem wurde erfolgreich in Betrieb genommen. Beide Sprühkegel sind stabil und es konnten sprühkompaktierte Deposite mit gr??eren Schichtdichte erzeugt werden. Die Wechselwirkung zwischen den beiden Gasstr?mungen führt zu einer Ablenkung der beiden Sprühkegel um jeweils 6° (Abbildung 4)

Am Beispiel einer FeTiB-Legierung wurden erstmals sprühkompaktierte und gegossene Qualit?ten hergestellt und nach dem Warmwalzen sowie einer W?rmebehandlung verglichen (Abbildung 5) (S01 und S02). Das gegossene Material zeigt TiB₂-Ausscheidungen (dunkelgrau) mit Abmessungen bis ca. 10 ?m. Die sprühkompaktierte Variante weist eine deutlich feinere Mikrostruktur mit Ausscheidungen im Nanometerbe-reich auf. Die feinverteilten Ausscheidungen führen zu einer substantiellen Verbesserung der mechanischen Eigenschaften. Die Zugfestigkeit nimmt um ca. 60 % zu, wobei die Bruchdehnung nur unwesentlich abnimmt (Abbildung 5b). Zus?tzlich nimmt der E-Modul leicht ab.

Die Partikelgeschwindigkeit wurde mittels LDA (Laser-Doppler-Anemometer) gemessen. Es l?sst sich feststellen, das gleichgro?e Partikel st?rker beschleunigt werden, wenn die Zerst?ubergastemperatur steigt, obwohl der Gasmassenstrom abnimmt (Abbildung 7b). Das bedeutet für das Sprühkompaktieren deutlich h?here Auftreffgeschwindigkeiten und damit kürzere Deformationszeiten (die Tropfen formen sich beim Auftreffen um).

Tr?gt man die relative Dichte des Deposits über die lokal gemessene Oberfl?chentemperatur auf (Abbildung 8), zeigt sich bei Verwendung von Kaltgas eine rasch abnehmende relative Dichte. Durch die Verwendung von Hei?gas lassen sich für abnehmende Depositoberfl?chentemperaturen noch hohe relative Dichten erzielen.