In situ Untersuchung der Phasenverteilung und der Schmelzbaderstarrung von Duplexstählen mittels laserinduzierter Plasmaspektroskopie (LIBS)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Kannengießer
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik ; Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 442001176

Duplexstähle (DSS) haben in den letzten Jahren aufgrund ihrer hohen Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit zunehmend an Bedeutung gewonnen. Aktuelle innovative Entwicklungen, der weltweite Bedarf an nachhaltigen und umweltverträglichen technischen Anwendungen führten in den letzten 20 Jahren zu einem starken Anstieg der Nachfrage und Nutzung von DSS. DSS, bestehend aus ca. 50-50% ausgeglichenen Ferrit- und Austenitphasen, zeigen Austenitreformationen und Gefügeveränderungen beim Schweißen, die zu unausgewogenen Phasenverhältnissen und Modifikationen der chemischen Zusammensetzung führen. Solche großen Gefügeveränderungen in diesen mehrphasigen Werkstoffen führen zu Erstarrungsrissen, Korrosionsanfälligkeit, geringerer Duktilität und kritischen Festigkeitswerten. Um die gewünschte Schweißleistung zu erhalten, müssen die Austenit/Ferritverteilung und sogar die geringen Abweichungen in der chemischen Zusammensetzung des Schweißgutes während des Schweißens genau überwacht werden, so dass es möglich ist, das Phasenverhältnis des Schweißgutes durch Änderung der Schweißgutzusammensetzung zu steuern.Bisher wurden Schweißgutvorhersagediagramme entwickelt, nämlich Schaeffler, De Long, WRC-1992 Diagramme. Das neueste, nämlich das WRC-1992-Diagramm, hat sich als gut in der Prognose der auftretenden Phasen erwiesen, bedarf aber weiterer Entwicklung. Das Diagramm deckt nur einen begrenzten Bereich chemischer Zusammensetzungen ab, wichtige Legierungselemente werden ignoriert und die Abkühlrate ist völlig ausgeschlossen, obwohl dies ein wichtiger Parameter für das resultierende Schweißgefüge ist. Die Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) ermöglicht nicht nur eine neue Methode zur Messung der chemischen Zusammensetzung während des Schweißens, sondern führt auch zeit- und ortsaufgelöste Elektronentemperaturberechnungen durch. Mit Hilfe der Elektronentemperaturdaten ist es erstmals möglich, die Abkühlrate zu berechnen und die Abkühlkurven des erstarrenden Schweißgutes ohne herkömmliche Methoden wie z.B. Thermoelemente zu analysieren. Das Forschungsziel ist die Untersuchung der in situ Erstarrung des Schweißbades und der anschließenden Phasenumwandlungen von Duplex-Edelstählen unter Verwendung von online Messungen der chemischen Zusammensetzungen mittels LIBS, um die Phasenänderung bzw. -verteilung von Ferrit und Austenit beim Schweißen und Erstarrung zu bestimmen. Zusätzlich werden die gemessenen Phasenänderungen mit den mechanischen Eigenschaften der Schweißnähte korreliert. Schließlich wird das WRC-1992-Diagramm verwendet, um die gemessenen Abkühlraten und Abkühlkurven zu den Phasenverteilungsinformationen hinzuzufügen und die entsprechenden Erstarrungsmodi zu untersuchen. Die detaillierten zugrunde liegenden Erstarrungs- und Festkörpertransformationsmechanismen werden durch Materialmodelle beschrieben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Axel Griesche