Verbessertes Schweiß-Verfahren für Turbinen-Teile

Wissenschaftler am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ) nutzen bildgebende Verfahren mit Neutronen, um speziell verbundene Stahlkomponenten zu untersuchen. Mit ihren Ergebnissen können sie das Schweiß-Verfahren für Öl- und Gaspipelines sowie Turbinen verbessern.

Schweißen einer Pipeline. Die Forscher unterzogen die Verbindungsstelle von Schweißnähten einer genauen Analyse. © rominaluchetta/Pixabay

Boride innerhalb der Schweißnaht (Pfeil). Hier ist die Verbindung fehlerhaft. © Luozzo et al.

Das „transient liquid-phase bonding” (TLPB)-Verfahren dient der Verbindung von metallischen Systemen, bei denen man keine normale Schweißung anwenden kann. Beispielsweise bei der Reparatur von Gaspipelines. Durch die Verwendung von speziellen Materialien erzielt das TLPB-Verfahren sehr gute mechanische Eigenschaften. 

Forscher am MLZ haben sich jetzt diese Art von Schweißverbindungen genauer angesehen. Mit ihrer Methode können sie zerstörungsfrei die Qualität von TLPB-Verbindungen prüfen. Dabei entdecken sie schädliche Einlagerungen an der Schweißstelle. Besonders für die Öl- und Gasindustrie ist das von Bedeutung: hier kommt das TLPB-Verfahren besonders oft zum Einsatz. Ebenso in der Herstellung von Turbinenschaufeln in Düsentriebwerken.

Neutronen machen die Verbindungsnaht sichtbar

Die Wissenschaftler Dr. Nicolás Di Luozzo und Dr. Marcelo Fontana von der Universidad de Buenos Aires (UBA) haben zusammen mit MLZ-Wissenschaftler Dr. Michael Schulz (Technische Universität München) TLP-gebundene Stahlbauteile mit Bor-legierten Folien untersucht. Dafür nutzten sie die Neutronenradio- und tomografie am Instrument ANTARES.

Die Neutronen machen die „Naht“ zwischen den Metallteilen, die Mikrostruktur der Verbindung und des anschließenden Grundmetalls, sichtbar. „Mit existierenden mikroskopischen Verfahren ist es nicht möglich, die Bor-Konzentrationen in einer Stahl-Matrix zu quantifizieren“, führt Di Luozzo aus, „ganz im Gegensatz zur Neutronenradiographie. Die räumliche Auflösung, die ANTARES erreicht, ist bemerkenswert.“

Forscher identifizieren Fehler im Schweiß-Verfahren

Innerhalb der Fuge identifizieren Di Luozzo und seine Kollegen zwei Bereiche: sie unterscheiden, wo alle Erstarrungsphasen abgeschlossen sind, und wo nicht. Bei einer unvollständigen Erstarrung finden die Wissenschaftler neben Ferrit auch Boride. Das ist ein Indikator für Schwachstellen in der Naht: An diesen Stellen hat das TLPB-Verfahren nicht perfekt geklappt, die Verbindung ist fehlerhaft. 

Mithilfe der Neutronentomographie konnten die Wissenschaftler die Größe, Menge und genaue Lage dieser Schwachstellen dreidimensional rekonstruieren. Hier müssen sie den Schweiß-Prozess noch verbessern, um eine einwandfreie Naht zu bekommen. 

Zerstörungsfreies Prüfverfahren dank Neutronen

Die Wissenschaftler zeigten in ihrem Experiment, dass sich Neutronen eignen, Boride an Schweißnähten sichtbar zu machen. Das hilft bei der Beurteilung der Qualität von TLPB-Schweißverbindungen. „Die Boride an der Verbindungsstelle haben einen äußerst schädlichen Einfluss auf deren mechanische Eigenschaften“, erklärt Di Luozzo. Im schlimmsten Fall bedeutet das: die Schweißnaht ist spröde und geht kaputt, die verbundenen Bauteile halten nicht länger zusammen.

Theoretisch ermöglicht das TLPB-Verfahren sehr gute mechanische Eigenschaften. „Es ist möglich, dass verbundene Materialien vergleichbare Eigenschaften wie das Grundmaterial erreichen“, betont Di Luozzo. Das Produkt ist also so solide, als wäre es aus einem Stück gefertigt. Deshalb ist das Verfahren auch von so großer Bedeutung: Die Neutronen können fehlerhaften Stellen im verschweißten Endprodukt aufspüren – und das ist im Fall eines Flugzeugtriebwerks für Passagiere von überlebensnotwendiger Bedeutung.

Originalpublikation: 

Di Luozzo, N., Schulz, M. & Fontana, M. Imaging of boron distribution in steel with neutron radiography and tomography. J Mater Sci 55, 7927–7937 (2020). DOI: 10.1007/s10853-020-04556-z