Universiẗat, Diss., 2001--Stuttgart. / Erscheinungsjahr an der Haupttitelstelle: 2001.

Zugl.: Kassel, Universiẗat, Diss., 2007.

University, Diss., 2003--Freiberg (Sachsen).

Thermochemische Randschichthärteverfahren ermöglichen eine ausscheidungsfreie Einlagerung von Kohlenstoff bzw. Stickstoff innerhalb des austenitischen Mischkristalls. Im Zusammenhang mit einer Randschichtbehandlung thermisch gespritzter Schichtsysteme stellen die charakteristischen Strukturmerkmale eine bislang weitgehend unerforschte Einflussgröße für die Beurteilung von Diffusionsprozessen dar. Bei der Verarbeitung von randschichtgehärtetem Pulver durch Verfahren des thermischen Spritzens ist die Phasenstabilität des Spritzzusatzwerkstoffs von übergeordneter Bedeutung. Die beiden Möglichkeiten einer Verfahrenskombination werden für hochgeschwindigkeitsflamm- und atmosphärisch plasmagespritzte Schichtsysteme des Werkstoffs EN 1.4404 durch systematische Prozess- und Parametervariation eingehend betrachtet. Für die einzelnen Schichtsysteme werden Einflussfaktoren struktur- und prozessspezifisch sowie in Abhängigkeit vom Anreicherungsmedium erfasst und im Kontext der Massivwerkstoffreferenz eingeordnet. Die daraus abgeleiteten allgemeingültigen Aussagen zu verfahrenstechnischen Wechselwirkungseffekten ermöglichen eine anwendungsorientierte Verfahrensauswahl bzw. Entwicklungsstrategie. / Thermochemical surface hardening enables a precipitation-free solvation of carbon or nitrogen on interstices of the austenitic crystal lattice. However, the interplay of the diffusion mechanisms with the structural properties of thermal spray coatings has not yet been understood. Thermal spraying of surface-hardened powders is a further opportunity, where the phase stability of the feedstock material is of crucial importance. A process and parameter study is conducted on high velocity oxy-fuel and atmospheric plasma spraying of AISI 316L considering both basic concepts. Structural and process-specific influence factors are examined for the different coating systems in comparison to the bulk material reference. Correlation effects are determined allowing for an application-oriented process selection or development strategy.

Die verformungsinduzierten Phasenumwandlungen und die Zwillingsbildung wurden in drei metastabilen austenitischen Cr-Mn-Ni-Stählen mit unterschiedlichem Nickelgehalt im breiten Temperaturbereich untersucht. Die entwickelten STU- und DTU-Diagramme fassen die gewonnenen Erkenntnisse zusammen und charakterisieren die verformungsinduzierten Gefügeänderungsprozesse in Abhängigkeit von der Spannung und der Temperatur. Die thermodynamischen Berechnungen bestätigen die Unterschiede in der chemischen Triebkraft für die Martensitumwandlung zwischen den Stählen und erklären unterschiedliches Werkstoffverhalten. Ein thermodynamisch-mechanisches Modell der verformungsinduzierten α‘-Martensitbildung wurde entwickelt. Der maximale α‘-Martensitanteil wird als Funktion der Gesamttriebkraft und der Temperatur mit einer guten Genauigkeit beschrieben. Des Weiteren wurde ein Modell der Umwandlungsplastizität mit Berücksichtigung der Plastizitätsverringerung infolge der isothermen oder spannungsinduzierten Martensitbildung entwickelt. Außerdem wurde der Einfluss von Mikroseigerungen auf die verformungsinduzierte Martensitbildung anhand drei Modellstähle untersucht und bestätigt.

Ein metastabiler austenitischer Stahl der Zusammensetzung 16Cr-7Mn-6Ni wurde einerseits über die Methode der Rückumwandlung in Werkstoffzustände verschiedener Korngrößen überführt und andererseits additiv über das Electron Beam Melting (EBM)-Verfahren gefertigt. Das statische und das zyklische Verformungsverhalten werden stark von der Korngröße beeinflusst. Insbesondere der ultrafeinkörnige Zustand verzeichnete einen erheblichen Anstieg der Festigkeit bei gleichzeitig hoher Duktilität. Die Lebensdauer übertraf bei niedrigen Dehnungsamplituden die Lebensdauer der Vergleichszustände und lag - für ultrafeinkörnige Gefüge außergewöhnlich - selbst bei hohen zyklischen Beanspruchungen auf einem vergleichbaren Niveau. Im Gegensatz zur Korngröße hatten die prozessinhärenten Defekte der mittels EBM hergestellten Varianten kaum einen Effekt auf das Verformungsverhalten des Stahls. Auch die Absenkung der Lebensdauer fiel vergleichsweise gering aus. Diese hervorragende Schadenstoleranz wird der hohen Duktilität in Kombination mit der enormen Verfestigungskapazität zugeschrieben.

Die verformungsinduzierten Phasenumwandlungen und die Zwillingsbildung wurden in drei metastabilen austenitischen Cr-Mn-Ni-Stählen mit unterschiedlichem Nickelgehalt im breiten Temperaturbereich untersucht. Die entwickelten STU- und DTU-Diagramme fassen die gewonnenen Erkenntnisse zusammen und charakterisieren die verformungsinduzierten Gefügeänderungsprozesse in Abhängigkeit von der Spannung und der Temperatur. Die thermodynamischen Berechnungen bestätigen die Unterschiede in der chemischen Triebkraft für die Martensitumwandlung zwischen den Stählen und erklären unterschiedliches Werkstoffverhalten. Ein thermodynamisch-mechanisches Modell der verformungsinduzierten α‘-Martensitbildung wurde entwickelt. Der maximale α‘-Martensitanteil wird als Funktion der Gesamttriebkraft und der Temperatur mit einer guten Genauigkeit beschrieben. Des Weiteren wurde ein Modell der Umwandlungsplastizität mit Berücksichtigung der Plastizitätsverringerung infolge der isothermen oder spannungsinduzierten Martensitbildung entwickelt. Außerdem wurde der Einfluss von Mikroseigerungen auf die verformungsinduzierte Martensitbildung anhand drei Modellstähle untersucht und bestätigt.

A solution-hardening of AISI 316L stainless-steel powder was conducted. The expansion of the crystal lattice and a strong increase in the nanoindentation hardness confirm the successful diffusion of carbon and nitrogen in the interstices. A multiphase state of the powder feedstock with phase fractions of the metastable S-phase (expanded austenite) mainly at the particle’s edge, and the initial austenitic phase within the core was found. Thermal spraying using high velocity oxy-fuel (HVOF) and atmospheric plasma spraying (APS) prove the sufficient thermal stability of the Sphase. Microstructural investigations of the HVOF coating reveal the ductility of the S-phase layer, while the higher heat load within the APS cause diffusion processes with the initial austenitic phase. The lattice expansion and the nanoindentation hardness decrease during thermal spraying. However, the absence of precipitates ensures the sufficient heat stability of the metastable S-phase. Even though further efforts are required for the thermochemical treatment of powder feedstock, the results confirm the feasibility of the novel powder treatment approach.

Die Bildung von Anlauffarben durch molekularen Sauerstoff im Wurzelschutzgas ist bereits gut erforscht. Weitere Sauerstoffquellen für die Bildung von Anlauffarben sind Feuchte und CO2. Besonders Feuchte ist in diesem Zusammenhang kritisch, da sie sich wesentlich langsamer mit den etablierten Mitteln entfernen lässt. Im Rahmen dieser Arbeit konnte für durch Feuchte verursachte Anlauffarben im Wurzelschutzgas ein Grenzwert von 300 ppm bei 23 °C ermittelt werden. Die Farbausprägung der durch Feuchte verursachten Anlauffarben tendiert besonders bei schwachen bis mittleren Ausprägungen (450-800 ppm) stärker ins Bräunliche als die durch molekularen Sauerstoff verursachten Anlauffarben. Mit Hilfe des an der TU Dresden entwickelten Algorithmus für die Auswahl von Gaskomponenten für Prozessgase, wurde für das gepulste WIG-Orbitalschweißverfahren von austenitischen CrNi-Stahlrohren das Gasgemisch Ar/He/H2 20/70/10 ausgewählt. Gegenüber dem ursprünglich als Prozessgas verwendeten Argon und einem Ar/He 70/30 Gemisch, zeigte sich eine mögliche Steigerung der Vorschubgeschwindigkeit um den Faktor 3,5. Bei Fragen und Anmerkungen zur Arbeit sowie beim Verfassen einer weiterführenden Arbeit bitte Kontakt mit dem Autor aufnehmen (gerd.hauser@gmx.de). Dieser ist an einer Weiterführung des Themas sowie einer unabhängigen Überprüfung der Messwerte sehr interessiert. / The formation of annealing colors by molecular oxygen in the backing gas is already well understood. Other sources of oxygen for the formation of annealing colors are humidity and CO2. Moisture is especially critical in this context, since they can be removed much more slowly with the established agents. As part of this work can be set a limit for annealing colors (caused by moisture in the root protection gas) of 300 ppm moisture with a environment temparatur of 23 ° C. The annealing colors caused by humidity tends especially in low to moderate conzentrtions (450-800 ppm) mor to a brownish than the annealing colors caused by molecular oxygen. Using the algorithm developed at the TU Dresden for the selection of gas components for process gases,the gas mixture Ar/He/H2 20/70/10 was chosen for the pulsed TIG orbital welding of austenitic stainless steel tubes. Compared to the originally used process gas argon and Ar/He-mixture 70/30, showed the Ar/He/H2 mixtur a possible increase in feed rate by a factor of 3.5.

Die Bildung von Anlauffarben durch molekularen Sauerstoff im Wurzelschutzgas ist bereits gut erforscht. Weitere Sauerstoffquellen für die Bildung von Anlauffarben sind Feuchte und CO2. Besonders Feuchte ist in diesem Zusammenhang kritisch, da sie sich wesentlich langsamer mit den etablierten Mitteln entfernen lässt. Im Rahmen dieser Arbeit konnte für durch Feuchte verursachte Anlauffarben im Wurzelschutzgas ein Grenzwert von 300 ppm bei 23 °C ermittelt werden. Die Farbausprägung der durch Feuchte verursachten Anlauffarben tendiert besonders bei schwachen bis mittleren Ausprägungen (450-800 ppm) stärker ins Bräunliche als die durch molekularen Sauerstoff verursachten Anlauffarben. Mit Hilfe des an der TU Dresden entwickelten Algorithmus für die Auswahl von Gaskomponenten für Prozessgase, wurde für das gepulste WIG-Orbitalschweißverfahren von austenitischen CrNi-Stahlrohren das Gasgemisch Ar/He/H2 20/70/10 ausgewählt. Gegenüber dem ursprünglich als Prozessgas verwendeten Argon und einem Ar/He 70/30 Gemisch, zeigte sich eine mögliche Steigerung der Vorschubgeschwindigkeit um den Faktor 3,5. Bei Fragen und Anmerkungen zur Arbeit sowie beim Verfassen einer weiterführenden Arbeit bitte Kontakt mit dem Autor aufnehmen (gerd.hauser@gmx.de). Dieser ist an einer Weiterführung des Themas sowie einer unabhängigen Überprüfung der Messwerte sehr interessiert.:1 Einleitung 1 2 Stand der Technik 2 2.1 WIG-Schweißen 2 2.1.1 Gepulstes WIG-Schweißen 2 2.1.2 WIG-Orbitalschweißen 5 2.2 Schweißen von austenitischem CrNi-Stahl 7 2.2.1 Schweißtechnische Verarbeitung von austenitischem CrNi-Stahl 7 2.2.2 Schweißnahtunregelmäßigkeit: Anlauffarben 12 2.3 Prozess- und Wurzelschutzgase 17 2.3.1 Prozessgase 18 2.3.2 Wurzelschutzgase 21 2.4 Messung von Sauerstoff und Feuchte bei schweißtechnischen Anwendungen 23 3 Präzisierung der Aufgabenstellung 28 4 Analyse von Baustellenbedingungen und Maßnahmen auf Winterbaustellen 29 4.1 Beschreibung der Bedingungen 29 4.2 Beschreibung der Unregelmäßigkeiten 31 4.3 Bewertung der etablierten Maßnahmen 33 5 Versuchsplanung und Durchführung 35 5.1 Experimentelle Randbedingungen 35 5.1.1 Geräte, Messmittel und Software 35 5.1.2 Versuchswerkstoffe und Materialien 42 5.1.3 Schweißparameter 43 5.1.4 Auswertungsmethoden 44 5.2 Einfluss der Feuchte in Wurzelschutzgasen 47 5.2.1 Schweißversuche bei konstanten und wechselnden Temperaturen 47 5.2.2 Versuche zur Feuchteansammlung im Rohr 49 5.2.3 Versuch zur Bildung von Anlauffarben bei unterschiedlichen Feuchtekonzentrationen im Wurzelschutzgas 51 5.3 Einfluss der Prozessgaszusammensetzung für die Gasgemische Ar, Ar/He, Ar/He/H2 53 6 Auswertung der Versuchsergebnisse und Schlussfolgerungen 56 6.1 Anlauffarben auf Winterbaustellen 56 6.1.1 Einfluss der Außentemperatur auf den Schweißprozess 56 6.1.2 Einfluss von Feuchteansammlungen in Rohren 61 6.1.3 Einfluss von unterschiedlichen Feuchtekonzentrationen im Wurzelschutzgas 63 6.1.4 Schlussfolgerungen für die Anwendung in der Praxis 68 6.2 Einfluss der Prozessgaszusammensetzung beim WIG-Orbitalschweißen 74 6.2.1 Versuchsauswertung 74 6.2.2 Anwendung des Mischgases Ar/He/H2 in der Praxis 80 7 Zusammenfassung und Ausblick 81 8 Quellenverzeichnis 82 9 Verzeichnis der Abbildungen und Tabellen 87 10 Anlagenverzeichnis 92 / The formation of annealing colors by molecular oxygen in the backing gas is already well understood. Other sources of oxygen for the formation of annealing colors are humidity and CO2. Moisture is especially critical in this context, since they can be removed much more slowly with the established agents. As part of this work can be set a limit for annealing colors (caused by moisture in the root protection gas) of 300 ppm moisture with a environment temparatur of 23 ° C. The annealing colors caused by humidity tends especially in low to moderate conzentrtions (450-800 ppm) mor to a brownish than the annealing colors caused by molecular oxygen. Using the algorithm developed at the TU Dresden for the selection of gas components for process gases,the gas mixture Ar/He/H2 20/70/10 was chosen for the pulsed TIG orbital welding of austenitic stainless steel tubes. Compared to the originally used process gas argon and Ar/He-mixture 70/30, showed the Ar/He/H2 mixtur a possible increase in feed rate by a factor of 3.5.:1 Einleitung 1 2 Stand der Technik 2 2.1 WIG-Schweißen 2 2.1.1 Gepulstes WIG-Schweißen 2 2.1.2 WIG-Orbitalschweißen 5 2.2 Schweißen von austenitischem CrNi-Stahl 7 2.2.1 Schweißtechnische Verarbeitung von austenitischem CrNi-Stahl 7 2.2.2 Schweißnahtunregelmäßigkeit: Anlauffarben 12 2.3 Prozess- und Wurzelschutzgase 17 2.3.1 Prozessgase 18 2.3.2 Wurzelschutzgase 21 2.4 Messung von Sauerstoff und Feuchte bei schweißtechnischen Anwendungen 23 3 Präzisierung der Aufgabenstellung 28 4 Analyse von Baustellenbedingungen und Maßnahmen auf Winterbaustellen 29 4.1 Beschreibung der Bedingungen 29 4.2 Beschreibung der Unregelmäßigkeiten 31 4.3 Bewertung der etablierten Maßnahmen 33 5 Versuchsplanung und Durchführung 35 5.1 Experimentelle Randbedingungen 35 5.1.1 Geräte, Messmittel und Software 35 5.1.2 Versuchswerkstoffe und Materialien 42 5.1.3 Schweißparameter 43 5.1.4 Auswertungsmethoden 44 5.2 Einfluss der Feuchte in Wurzelschutzgasen 47 5.2.1 Schweißversuche bei konstanten und wechselnden Temperaturen 47 5.2.2 Versuche zur Feuchteansammlung im Rohr 49 5.2.3 Versuch zur Bildung von Anlauffarben bei unterschiedlichen Feuchtekonzentrationen im Wurzelschutzgas 51 5.3 Einfluss der Prozessgaszusammensetzung für die Gasgemische Ar, Ar/He, Ar/He/H2 53 6 Auswertung der Versuchsergebnisse und Schlussfolgerungen 56 6.1 Anlauffarben auf Winterbaustellen 56 6.1.1 Einfluss der Außentemperatur auf den Schweißprozess 56 6.1.2 Einfluss von Feuchteansammlungen in Rohren 61 6.1.3 Einfluss von unterschiedlichen Feuchtekonzentrationen im Wurzelschutzgas 63 6.1.4 Schlussfolgerungen für die Anwendung in der Praxis 68 6.2 Einfluss der Prozessgaszusammensetzung beim WIG-Orbitalschweißen 74 6.2.1 Versuchsauswertung 74 6.2.2 Anwendung des Mischgases Ar/He/H2 in der Praxis 80 7 Zusammenfassung und Ausblick 81 8 Quellenverzeichnis 82 9 Verzeichnis der Abbildungen und Tabellen 87 10 Anlagenverzeichnis 92