DE4143189A1

DE4143189A1 - Verfahren zur erhoehung des widerstandes von werkstuecken gegen die ausbreitung von ermuedungsbruchanrissen

Info

Publication number: DE4143189A1
Application number: DE4143189A
Authority: DE
Inventors: Arvind Bharti; Vikas Kumar Saxena
Original assignee: Res & Dev Min Def Gov In
Current assignee: Res & Dev Min Def Gov In
Priority date: 1991-07-02
Filing date: 1991-12-30
Publication date: 1993-07-01
Anticipated expiration: 2011-12-31
Also published as: FR2678954A1; DE4143189C2; GB2257163B; FR2678954B1; GB9114222D0; GB2257163A; US5306360A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung des Wider standes von Werkstücken aus Legierungen, die beim Abschrek ken metastabile Phasen annehmen, insbesondere von Alpha- Beta-Titanlegierungen und artverwandten Legierungen, gegen die Ausbreitung von Ermüdungsbruchanrissen.

Bevorzugt, aber nicht ausschließlich, befaßt sich die Erfindung mit der Behandlung von Ti-6,5 Al-3,5 Mo-1,9 Zr-0,23 Si-Legierungen und Alpha-Beta-Titanlegierungen.

Titanlegierungen finden eine bevorzugte Anwendung in der Luft- und Raumfahrt für tragende Bauteile und für Turbinen schaufeln von Strahltriebwerken. Wegen der hohen Belastungen in Tragrahmen von Flugobjekten sind die Ermüdungseigenschaf ten von größter Bedeutung. Mit zunemendem Einsatz von nicht metallischen Baustoffen für Tragflächenteile und andere Bau teile haben Titanlegierungen eine große Bedeutung als Ver bindungselemente zwischen metallischen und nichtmetallischen Komponenten wie zwischen Tragflächen und Rumpf eines Flug zeuges.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Behandlung der eingangs beschrieben Werkstoffe anzugeben, durch das die Vielseitigkeit der Verwendung und die Verträg lichkeit mit einer neuen Generation von nichtmetallischen Luftfahrtwerkstoffen erhöht wird.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Schritte des Sandstrahlens des Werkstücks, durch nachfolgenden Beschuß der Werkstückoberfläche mit Laser strahlung nach Auswahl von Position, Strahlleistung, Fokus sierung und Fokuslage des Brennflecks eines relativ zum Werkstück beweglichen Laserstrahls und der Abtastgeschwin digkeit im Verhältnis zur Strahlleistung, Bewegung des Laserstrahls mittels eines Steuergeräts auf einer Abtastspur auf dem Werkstück, wobei die Fokuslage derart gewählt wird, daß der Brennfleck bis zu 200 µm oberhalb oder unterhalb der zu bestrahlenden Oberfläche liegt, wobei die Breite der Abtastspur bestimmt und das Steuergerät in der Weise einge stellt wird, daß bei aufeinanderfolgenden Abtastbewegungen eine Überlappung der Abtastspuren zwischen 5 und 50% bewirkt wird, und wobei die sandgestrahlte Oberfläche des Werkstücks mit einer Schutzgasatmosphäre beaufschlagt und unter dieser aufeinanderfolgend durch den Laserstrahl abgetastet wird.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, den Widerstand gegen das Wachsen von Ermüdungsbruchanrissen in Werkstücken (Massenartikeln) um Faktoren zwischen 3 und 100 zu erhöhen.

Besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind für sich genommen und/oder in Kombination dadurch gekenn zeichnet,

- daß sich der Brennfleck 50 µm oberhalb der zu behandelnden Oberfläche befindet,
- daß Strahlleistung, Fokussierung (Brennfleckquerschnitt), Fokuslage zum Werkstück, Abtastgeschwindigkeit und Über lappungsgrad der Abtastspuren in Relation zueinander und zu den Werkstückeigenschaften so gewählt werden, daß das Werkstück, von der Oberfläche ausgehend bis zu einer Tiefe zwischen 50 und 1000 µm örtlich aufgeschmolzen wird und daß danach die jeweilige Schmelzzone durch Selbstabschrek kung (Wärmeabgabe an den Restquerschnitt) verfestigt wird,
- daß das Schutzgas mittels einer Düse im Bereich des Brenn flecks gegen die Werkstückoberfläche gerichtet wird und daß der Druck des Schutzgases auf der Eintrittsseite der Düse zwischen 1,4 und 3,4 bar gewählt wird und vorzugs weise etwa 2,5 bar beträgt,
- daß der Laserstrahl auf einen Durchmesser zwischen 250 µm und 15 mm, vorzugsweise zwischen 0,5 und 4,0 mm fokussiert wird,
- daß als Partikelstrom zum Sandstrahlen Aluminiumoxidkörner (Al₂O₃) verwendet werden,
- daß als Schutzgas Argon verwendet wird,
- daß das Schutzgas mittels einer Düse auf die Werkstück oberfläche gerichtet wird und daß der Abstand zwischen Düse und Werkstückoberfläche zwischen 10 und 25 mm, vorzugsweise zwischen l5 und 20 mm gewählt wird.
- daß das Werkstück unter einem von 90° abweichenden Winkel zur Achse des Laserstrahls gehalten wird.

Der Grad der Überlappung und/oder die Aufschmelztiefe werden dabei in Abhängigkeit von der Dicke des Werkstücks gewählt.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes wird nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 11 näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 eine Laser-Kanone mit einer Meßvorrichtung mit einer Probenplatte zur Bestimmung der Lage des Brennflecks,

Fig. 2 das Aussehen der Abtastspur in der Draufsicht auf die Probenplatte,

Fig. 3 einen teilweisen Schnitt durch das untere Ende einer Kanonensäule mit angesetzter Gaszufuhrkammer und Schutzgasdüse in vergrößertem Maßstab,

Fig. 4 eine Seitenansicht der Schutzgasdüse mit gestri chelt eingezeichnetem Düsenverlauf in wiederum vergrößertem Maßstab,

Fig. 5 ein Diagramm zur Bestimmung der erforderlichen Strahlleistung (Parameterdarstellung) in Abhän gigkeit von der Abtastgeschwindigkeit (Abszisse) und Aufschmelztiefe (Ordinate),

Fig. 6 ein Diagramm zum Vergleich der Riß-Ausbreitungs geschwingigkeit von behandelten und unbehandelten Werkstücken in Abhängikeits vom Spannunsintensi tätsfaktor für die Legierung Ti-6,5 Al-3,5 Mo-1,9 Zr-0,23 Si,

Fig. 7 ein Diagramm analog Fig. 6, jedoch für behandel tes und unbehandeltes Reineisen,

Fig. 8 eine Draufsicht auf einen Probenkörper für die Bestimmung der Riß-Ausbreitungsgeschwindigkeit,

Fig. 9 eine Frontansicht des Probenkörpers nach Fig. 8 in Richtung des Pfeils IX in Fig. 8,

Fig. 10 die Anordnung zweier Probenkörper nach den Fig. 8 und 9 auf einer Grundplatte für die Bestimmung von Längs- (L-T) und Querspannungen (T-L), und

Fig. 11 eine Seitenansicht einer Bestrahlungsstation mit einem Laserstrahl und einem Werkstück.

In Fig. 1 ist der untere Teil einer Laser-Kanone 2 darge stellt, die eine Linse 3 zur Fokusssierung des schematisch angedeuteten Laserstrahls 4 besitzt, der einen Durchmesser von 50 mm und eine Leistung von 3 kW hat. Der fokussierte Teil des Laserstrahls ist mit "4f" bezeichnet, tritt durch eine Düse 5 aus und konvergiert danach auf einen Strahl durchmesser von etwa 1,5 mm.

Der verwendete Laser, der auch in der Vorrichtung nach Fig. 11 verwendet wird, ist ein CO₂-Laser, dessen Brennfleck und Fokuslage zu bestimmen sind. Die Bestimmung des Brennflecks geschieht zur Einstellung einer präzisen Lage des Brenn flecks des an sich unsichtbaren Infrarot-Strahls der Laser kanone (Wellenlänge: 10,6 µm) sowie zur Bestimmung der Leistungsdichte (Strahlleistung : Strahlquerschnitt am Auf treffort). Ein derartiger Schritt ist nach jeder erneuten Montage nach Wartung des Lasers auszuführen, desgleichen nach jeder neuen Einstellung, da der Mode sich ändern kann und dies einen Einfluß auf die Lage des Brennflecks hat.

Zur Einstellvorrichtung nach Fig. 1 gehört eine längliche Probenplatte 6 mit einer Länge von beispielhaft 25 cm, die aus dem gleichen Werkstoff wie das Werkstück besteht. Diese Probenplatte hat gegenüber einem waggerechten Arbeitstisch 6a einen Anstellwinkel von 10° bis 15° und wird relativ zum Laserstrahl 4f mit einer Geschwindigkeit von 5 m/min in Richtung des Pfeils 6b bewegt.

Gemäß Fig. 2 ist das mittlere Drittel der Ablenkspur, in der der Laserstrahl 4f eine gleichförmige Schmelzbreite verursacht, der Bereich, in dem der Laserstrahl seine größte Tiefenschärfe besitzt. Die Bestimmung des genauen Winkels der Probenplatte zur Waagrechten und die Lage der Proben platte gegenüber dem Laserstrahl ermöglichen eine Berechnung der Tiefenschärfe und der Lage des Brennflecks gegenüber der Düsenmündung 5a.

Fig. 3 zeigt weitere Details des unteren Endes einer gas dichten Laser-Kanone 2: Argon hoher Reinheit wird einer Schutzgaskammer 7, die der Düse 5 vorgeschaltet ist, über eine Einlaßöffnung 7a zugeführt, wobei die Gasmenge so eingestellt wird, daß in der Schutzgaskammer 7 ein Druck von 2,5 bar herrscht. Die Schutzgaskammer 7 ist am unteren Ende mit einem Ringflansch 8 versehen, von dem Distanzhülsen 9 und 10 in gasdichter Verbindung zur Düse 5 führen. Da die Düse 5 den Laserstrahl konzentrisch umgibt, führt dies zur Ausbildung eines den Laserstrahl umgebenden und bis zur Werkstückoberfläche reichenden Argonstrahls, der den Zutritt von Komponenten der Umgebungsluft zumindest sehr weitgehend verhindert, so daß eine Oxydation von Legierungskomponenten und/oder die Einlagerung von Stickstoff sehr weitgehend unterdrückt werden.

In Fig. 4 ist das Werkstück 1 mit der zu behandelnden Werk stückoberfläche 1a im Abstand von 18 mm unterhalb der Düsen mündung 5a dargestellt. Die Düse 5 läßt sich über ein Außen gewinde 5b mit der Distanzhülse 10 verschrauben. Die Argon atmosphäre im Bereich der Werkstückoberfläche ist abhängig vom Argon-Druck in der Schutzgaskammer 7, von der Düsen geometrie und vom Abstand der Düsenmündung von der Werk stückoberfläche. Die betreffenden Werte können im Rahmen der in den Ansprüchen gemachten Angaben durch Ausprobieren gefunden werden. Die in Fig. 4 zu findenden Zahlenwerte (in mm) führen zu optimalen Verhältnissen.

Die Breite der Abtastspur (Schmelzspur) wird gleichfalls gemessen, und das Steuergerät für die Abtastung so einge stellt, daß sich die Abtastspuren um 10% überlappen. Durch das Steuergerät kann sowohl der Laserstrahl gegenüber dem Werkstück als auch das Werkstück gegenüber dem Laserstrahl bewegt werden. Die lineare Abtastgeschwindigkeit wird während eines Bearbeitungsvorganges beibehalten. Je nach der Werkstückdicke kann der Überlappungsgrad zwischen 5% und 50% gewählt werden.

Mit den gleichen Verfahrensparametern (Laserleistungsdichte, Abtastgeschwindigkeit, Schutzgasdruck, Abstand des Werk stücks von der Düsenmündung, Überlappungsgrad und voraus gegangene Sandstrahlung) kann die Werkstückoberfläche durch sequentielles Abrastern behandelt werden.

Fig. 5 zeigt in Diagrammform die Verhältnisse von Abtast geschwindigkeit und Aufschmelztiefe in Parameterdarstellung für Strahlleistungen von 1 und 3 kW für die Titanlegierung Ti-6,5 Al-3,5 Mo-1,9 Zr-0,23 Si. Hieraus können wesentliche Verfahrensparameter gewonnen werden.

Beispiel 1

Das Werkstück 1 (Fig. 4 und 11), ein CT-Probenkörper (CT = Compact Tension) mit den Abmessungen nach den Fig. 8 und 9, der beispielsweise aus einem 6 mm dicken Blech herge stellt sein kann, wird zunächst mit Aluminiumoxid-Sand gestrahlt, der durch ein Sieb mit einer Öffnungsweite von 0,15 mm (100 mesh) gesiebt wurde. Das Sandstrahlen erfolgt mit einer Sandmenge von 500 g/min aus einer Düse mit einer Öffnung von 6 mm bei einem Druck von 4,2 bis 6,3 bar.

Das Sandstrahlen ist gründlich auszuführen und dient zur Verbesserung der Absorption der Laserstrahlung.

Die Oberfläche des sandgestrahlten CT-Probenkörpers, der aus einer Alpha- Beta-Titanlegierung besteht, wurde unter den obigen Bedingungen mit einer Laserleistung von 3 kW und mit einer Abtastgeschwindigkeit von 100 cm/min behandelt. Das Verhältnis der halben Höhe E zum Maß W betrug etwa 0,6 bei einer L-T-Ausrichtung nach Fig. 10. Der solcherart herge stellte Probenkörper wurde unter Wechselbelastung mit einem Anfangsriß versehen, und die Ausbreitung des Ermüdungsbruch verhaltens wurde untersucht. Das Ergebnis zeigte eine Ver besserung des Widerstandes gegen das Ermüdungsbruchwachstum von mindestens 400% gegenüber einem unbehandelten Proben körper.

Beispiel 2

Die gleiche Legierung wurde der erfindungsgemäßen Behandlung gemäß Beispiel 1 mit einer Laserleistung von 3 kW unterwor fen, jedoch mit dem Unterschied, daß die Abtastgeschwindig keit 150 cm/min betrug. Die Ergebnisse sind in Fig. 6 gra fisch dargestellt, wobei die Kurve A₁ die Verhältnisse bei erfindungsgemäßer Behandlung und die Kurve A₂ die Verhält nisse eines Probenkörpers nach dem Stande der Technik zeigt.

Beispiel 3

Ein CT-Probenkörper nach den Fig. 8 und 9 aus reinem Eisen wurde nach dem erfindungsgemäßen Verfahren nach Beispiel 1 behandelt, und zwar mit einer Abtastgeschwindig keit von 100 cm/min bei einer Strahlleistung von gleichfalls 3 kW. Die Ergebnisse sind in Fig. 7 dargestellt, wobei die Kurve B₁ den Erfindungsgegenstand repräsentiert, die Kurve B₂ einen unbehandelten Probenkörper. Der Widerstand gegen das Wachsen des Ermüdungsbruchanrisses ist bei dem erfin dungsgemäß behandelten Probenkörper um den Faktor 75 größer als bei dem unbehandelten Probenkörper.

Die erhebliche Verbesserung gemäß den Beispielen 1 bis 3 ist auf die folgenden Ursachen zurückzuführen: Erstens resultie ren das Erwärmen durch den Laserstrahl und die Abkühlbedin gungen durch Selbstabschreckung in der Erhaltung metastabi ler Phasen, wobei ein bestimmter Anteil an Epitaxie und Restspannungen auf der Werkstückoberfläche erzeugt werden. Zweitens kann angenommen werden, daß etwas atmosphärischer Stickstoff zunächst in der Oberflächenschmelze in Lösung geht und alsdann in die Zwischengitterplätze diffundiert. Allerdings ist der Stickstoff allenfalls in Spuren vorhan den. Es kann weiter angenommen werden, daß der Zwischen gitter-Stickstoff einen Beitrag zur Erhöhung des Widerstan des gegen das Wachsen der Ermüdungsbruchanrisse leistet.

Die Stickstoffaufnahme wird indirekt durch den Druck des Schutzgases, die Form der Düse und den deutlichen Abstand zwischen der Düse und dem Werkstück gesteuert. Eine Verrin gerung dieses Abstandes hat eine Rauhigkeit der behandelten Oberfläche zur Folge und eine Vergrößerung führt wegen der Injektionswirkung des Gasstrahls zur Aufnahme von Sauerstoff und Stickstoff durch die Schmelze. Beides ist weitgehend unerwünscht.

Die geometrische Anordnung, d. h. die Lage des Werkstücks und des Laserstrahls 4f sollten derjenigen in den Fig. 4 und 11 entsprechen, und die Strahlbewegung relativ zu der zu behandelnden Werkstückoberfläche 1a sollte parallel zum waagrechten Boden verlaufen, und der Laserstrahl sollte von oben und rechtwinklig zum Boden auf das Werkstück auftref fen.

Abweichungen von dieser Anordnung haben Einfluß auf das durch den Laserstrahl gebildete Plasma und seine Wechselwir kung mit dem ankommenden Laserstrahl. Dieser Einfluß kann zu Abweichungen von den geschilderten Eigenschaften führen.

Das Plasma entsteht durch die starke Erhitzung der behandel ten Oberfläche und ihrer Umgebung. Es enthält Ionen aus dem Werkstück (Substrat) und Inertgasionen. Wenn der Laserstrahl gemäß Fig. 11 senkrecht von oben auf das Werkstück 1 auf trifft, befindet sich das Plasma im Strahlweg. Das Plasma hat folgende Wirkungen auf den Laserstrah:

- wegen seines von Luft verschiedenen Brechungsindex verändert es die Größe des Brennflecks und
- es absorbiert einen Teil der Strahlenergie und gibt sie an das Werkstück ab. Diese Wirkung ist die bedeutendere.

Die Testmethode und die Probenform wurden in den USA von der American Society for Testing Materials (ASTM) zum Zwecke der Auswertung von Ermüdungsbruch-Wachstumsraten in Werkstoffen festgelegt ("Standard Test Methode für die Messung von Ermüdungsbruch-Wachstumsraten" Annual Book of Standard; Bezeichnung - E647-86 ASTM Teil 10, 1987, Seite 899).

Fig. 10 zeigt zwei der Probenkörper nach den Fig. 8 und 9 in L-T-Anordnung für die Untersuchung von Spannungen in Längsrichtung (Doppelpfeil 11) und in T-L-Anordnung für die Untersuchung von Spannungen in Querrichtung (Doppelpfeil 12), festgeschraubt mittels der Bohrungen C (Fig. 8) auf einer Grundplatte 13. Bei allen vorstehenden Verfahrens beispielen wurde die Düsenform nach Fig. 4 und bei den Messungen wurde die L-T-Anordnung in Fig. 11 verwendet.

Zusammengefaßt läßt sich der Kern der Erfindung wie folgt definieren:

Zur Erhöhung des Widerstandes von Werkstücken aus Legie rungen, die beim Abschrecken metastabile Phasen annehmen, insbesondere von Alpha-Beta-Titanlegierungen und artver wandten Legierungen, gegen die Ausbreitung von Ermüdungs bruchanrissen, wird ein Verfahren mit folgenden Schritten angegeben:

1. Sandstrahlen des Werkstücks,
2. nachfolgender Beschuß der Werkstückoberfläche mit Laser strahlung nach Auswahl von Position, Strahlleistung, Fokussierung und Fokuslage des Brennflecks eines relativ zum Werkstück beweglichen Laserstrahls und der Abtast geschwindigkeit im Verhältnis zur Strahlleistung, wobei die Fokuslage derart gewählt wird, daß der Brennfleck bis zu 200 µm oberhalb oder unterhalb der zu bestrahlenden Oberfläche liegt,
3. Bewegen des Laserstrahls mittels eines Steuergeräts auf einer Abtastspur auf dem Werkstück, wobei die Breite der Abtastspur bestimmt und das Steuergerät in der Weise eingestellt wird, daß bei aufeinanderfolgenden Abtast bewegungen eine Überlappung der Abtastspuren zwischen 5 und 50% bewirkt wird, und
4. Beaufschlagung der sandgestrahlten Oberfläche des Werk stücks mit einer Schutzgasatmosphäre während der Abtastung.

Claims

1. Verfahren zur Erhöhung des Widerstandes von Werkstücken aus Legierungen, die beim Abschrecken metastabile Phasen annehmen, insbesondere von Alpha-Beta-Titanlegierungen und artverwandten Legierungen, gegen die Ausbreitung von Ermüdungsbruchanrissen, gekennzeichnet durch die Schritte des Sandstrahlens des Werkstücks, durch nachfolgenden Beschuß der Werkstückoberfläche mit Laserstrahlung nach Auswahl von Position, Strahlleistung, Fokussierung und Fokuslage des Brennflecks eines relativ zum Werkstück beweglichen Laserstrahls und der Abtastgeschwindigkeit im Verhältnis zur Strahlleistung, Bewegung des Laserstrahls mittels eines Steuergeräts auf einer Abtastspur auf dem Werkstück, wobei die Fokuslage derart gewählt wird, daß der Brennfleck bis zu 200 µm oberhalb oder unterhalb der zu bestrahlenden Oberfläche liegt, wobei die Breite der Abtastspur bestimmt und das Steuergerät in der Weise eingestellt wird, daß bei aufeinanderfolgenden Abtast bewegungen eine Überlappung der Abtastspuren zwischen 5 und 50% bewirkt wird, und wobei die sandgestrahlte Oberfläche des Werkstücks mit einer Schutzgasatmosphäre beaufschlagt und unter dieser aufeinanderfolgend durch den Lasterstrahl abgetastet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Brennfleck 50 µm oberhalb der zu behandelnden Oberfläche befindet.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Strahlleistung, Fokussierung (Brennfleckquerschnitt), Fokuslage zum Werkstück, Abtastgeschwindigkeit und Über lappungsgrad der Abtastspuren in Relation zueinander und zu den Werkstückeigenschaften so gewählt werden, daß das Werkstück, von der Oberfläche ausgehend bis zu einer Tiefe zwischen 50 und 1000 µm örtlich aufgeschmolzen wird und daß danach die jeweilige Schmelzzone durch Selbstab schreckung (Wärmeabgabe an den Restquerschnitt) verfe stigt wird,

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzgas mittels einer Düse im Bereich des Brenn flecks gegen die Werkstückoberfläche gerichtet wird und daß der Druck des Schutzgases auf der Eintrittsseite der Düse zwischen 1,4 und 3,4 bar gewählt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des Schutzgases 2,5 bar beträgt.

6. Verfahren nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl auf einen Durchmesser zwischen 250 µm und 15 mm, vorzugsweise zwischen 0,5 und 4,0 mm fokussiert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Partikelstrom zum Sandstrahlen Aluminiumoxidkörner verwendet werden.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Schutzgas Argon verwendet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzgas mittels einer Düse auf die Werkstückober fläche gerichtet wird und daß der Abstand zwischen Düse und Werkstückoberfläche zwischen 10 und 25 mm, vorzugs weise zwischen 15 und 20 mm gewählt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück unter einem von 90° abweichenden Winkel zur Achse des Laserstrahls gehalten wird.