Microstructure-based understanding of the test frequency influence on the corrosion fatigue behaviour of austenite AISI 304L joints brazed with nickel based filler metal
Final Report Abstract
Im Forschungsprojekt wurden eine neuartige Prüfsystematik und Auswertemethoden für eine mikrostrukturbasierte Charakterisierung des frequenzabhängigen Ermüdungs- und Korrosionsermüdungsverhaltens von Lötverbindungen entwickelt. Hierzu wurden drei hinsichtlich Festigkeit, Verformbarkeit und Korrosionsbeständigkeit unterschiedliche Lötverbindungen des metastabilen Austenits 1.4307 mit den Nickelbasisloten Ni 620 und VZ2177 sowie mit dem Goldbasislot Au 827 herangezogen. In der ersten Förderphase (FP1) wurde das Ermüdungsverhalten der Lötverbindungen an Luft, vor und nach einer langzeitigen Kondensatkorrosion nach VDA 230-214, sowie im synthetischen Abgaskondensat K2.2 unter Berücksichtigung der zugrundeliegenden Schädigungsmechanismen bewertet. Fokus der zweiten Förderphase (FP2) war die mikrostrukturbasierte Charakterisierung des Prüffrequenzeinflusses auf das Korrosionsermüdungsverhalten und die Entwicklung ein Schädigungsmodells. Die Goldlötverbindung wies ein zum Austenit vergleichbares Ermüdungsverhalten auf, während die Ermüdungsfestigkeit der Nickellötverbindungen maximal 50% betrug. Dabei konnten etablierte Auswertemethoden auf Basis von instrumentierten Mehrstufenversuchen zur effizienten Abschätzung der Ermüdungsfestigkeiten für Lötverbindungen validiert werden. Für die Verbindungen 1.4307/Au 827 und 1.4307/Ni 620 führte die langzeitige Kondensatkorrosion zu einem lokalen Materialabtrag im Bereich der Diffusionszonen aufgrund selektiver Korrosion und zur Absenkung der Ermüdungsfestigkeit auf ca. 20%. Im Vergleich hatte die überlagerte korrosive Beanspruchung im Abgaskondensat eine Absenkung auf ca. 45% zur Folge. Über eine zusätzliche galvanostatische, anodische Polarisation konnte die korrosive Schädigung beschleunigt und das Verhalten nach langzeitiger Vorkorrosion erfolgreich simuliert werden. In FP1 und FP2 wurden zwei Chargen der Lötverbindung 1.4307/Ni 620 untersucht, die mit gleichen Lötprozessparametern im selben Ofen mit vergleichbaren Grundwerkstoffen eines Herstellers und verschiedenen Chargen des Nickelhartlotes Ni 620 hergestellt wurden. Das Ermüdungsverhalten der Charge A aus FP1 ist an Luft und bei kurzen Prüfzeiten im Abgaskondensat besser, während Charge B der FP2 einen signifikanten Vorteil bei langzeitig überlagerter Korrosionsbeanspruchung, mit einer Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit bei Grenzlastspielzahl auf 138%, zeigt. Als Ursache wurden Unterschiede in der Ausbildung der Chromboride in den Diffusionszonen und eine Bildung von Sprödphasen in der Mitte der Lötnaht mittels FIB-REM nachgewiesen, die auf eine Variation in der chemischen Zusammensetzung des Grund- und Lotwerkstoffs im Toleranzbereich der jeweiligen Spezifikation zurückzuführen sind. Durch die Verwendung des korrosionsbeständigeren Nickelbasislotes VZ2177 kann die Ermüdungsfestigkeit bei Grenzlastspielzahl im Abgaskondensat auf mindestens 140% gesteigert werden, wobei auch bei Prüfzeiten von 163 Stunden keine korrosive Schädigung im Abgaskondensat auftrat. Langzeitige Korrosionsermüdungsversuche mit im Betrieb auftretenden geringen Frequenzen könnten eine optimale Auslegung gelöteter Bauteile sicherstellen. Aus wirtschaftlichen Gründen müssen Schwingfestigkeitskennwerte experimentell zeiteffizient bestimmt werden. Da zeitabhängige Einflüsse auf das Ermüdungsverhalten in korrosiver Umgebung jedoch nicht ausgeschlossen werden können, wurde der Prüffrequenzeinfluss für die Nickellötverbindungen systematisch untersucht. In langzeitigen Korrosionsermüdungsversuchen wurde die bei 10 Hz erreichte Bruchlastspielzahl der Nickellötverbindung 1.4307/Ni 620 auf 19% bei 1 Hz und auf 3% bei 0,1 Hz abgesenkt. Auf Basis der Ergebnisse wurden Schädigungsmodelle zur Charakterisierung und Vorhersage der frequenz- und zeitabhängigen Korrosionsermüdungseigenschaften entwickelt, um zeit- und kostenintensive Prüfverfahren zu ersetzen. Für eine vorgangsorientierte Charakterisierung des zyklischen Verformungs-, Phasenumwandlungs- und Schädigungsverhaltens der Lötverbindungen an Luft und im Abgaskondensat wurden struktursensitive mechanische, thermometrische, elektrische, magnetische, optische und elektrochemische Messverfahren in gekoppelter Form erfolgreich eingesetzt. Ferner wurden die verformungs- und korrosionsbedingten Schädigungsmechanismen mittels Rasterelektronenmikroskopie und Analyseverfahren der energiedispersiven Röntgenspektroskopie und der Elektronenrückstreubeugung evaluiert. Somit liefert diese Arbeit einen Beitrag für die zuverlässige und wirtschaftliche Auslegung von gelöteten Komponenten, insbesondere für hochbelastete abgasführende Bauteile.
Publications
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