Damage Tolerant Metallic Fuselage -DaTMet-

Wesentliches Ziel des Vorhabens DaTMet ist die Untersuchung des Ermüdungsverhaltens von reibrührgeschweißten AA2024 Verbindungen unter mehrachsigen Belastungen, sowie der Berücksichtigung eines Schweißdefekts, dem Lack of Penetration (LOP). Bei 2 mm dicken Proben betrug die Tiefe des LOPs 0,2 mm. Das Projekt umfasste dabei insgesamt drei Themenbereiche. Bei der biaxialen Prüfung unter zweiachsigen Belastungen wurden flugzeugrumpfähnliche Kreuzproben hinsichtlich des Rissinitiierungsverhaltens untersucht. Während der Ermüdungsversuche diente die digitale Bildkorrelation zur Untersuchung der Rissentwicklung. Weiterhin wurden definierte Spannungszustände in einachsigen Ermüdungsversuchen mit Schweißnähten in 0°, 22.5° und 45° Orientierung getestet. Örtlich ergibt sich somit ein mehrachsiger Spannungszustand. Bei defektfreien FSW-Verbindungen hat die Mehrachsigkeit nur einen vernachlässigbaren Einfluss, sodass die größte Hauptspannung die Lebensdauer bestimmt. Bei LOP-behafteten Schweißnähten dominiert die Normalspannungskomponente senkrecht zur Schweißnaht maßgeblich die Anrissphase. Alle untersuchten Proben können damit einem gemeinsamen Streuband zugeordnet werden, anhand dessen sich Ermüdungslebensdauern abschätzen lassen. Die Schädigungsmechanismen bei zyklischer Belastung wurden sowohl bei einachsigen wie auch bei mehrachsigen Spannungszuständen beobachtet. Hierbei wurden die Ergebnisse von CT-Untersuchungen, DIC-Bilder, Ultraschall-Bilder, Simulationen und REM-Bilder von Bruchflächen miteinander verglichen, um die Rissentstehung im Detail zu untersuchen

Microstructure and mechanical behavior of similar butt-joints of ZK60 and ZK60–1.5RE magnesium alloys produced by linear friction stir welding

The microstructure and mechanical properties of butt-joints produced by linear friction stir welding of similar plates of as-cast ZK60 and modified ZK60 with 1.5 wt.% RE (ZK60–1.5RE) are investigated. The thermomechanical affected zone is investigated in both advancing and retrieving sides, and the microstructure is compared to the base metal and the stirred zone. Electron backscattered diffraction measurements provide the average microstructural features of the transformed microstructure. The mechanical properties are assessed using hardness, tensile testing, and surface residual stress measured using X-ray diffraction. Higher torque and heat input are obtained for the ZK60–1.5RE compared to the ZK60. The thermomechanical affected zone is notably larger for the ZK60 compared to the ZK60–1.5RE. A gradient microstructure is formed in thermomechanical affected zones where deformed grains are progressively more recrystallised towards the stirred zone. There is no visible interface between the thermomechanical affected zone and the stirred zone. A fine and partially recrystallised microstructure is formed in the stirred zone. The retrieving side of the ZK60–1.5RE has a slightly more refined microstructure compared to the other investigated zones. Anisotropy measured with increment in the maximum intensity of the (0001) increases towards to stirred zone. The formed microstructure is correlated with the role of twinning, recovery, static, and dynamic recrystallisation that can occur during friction stir welding. Twinning and grains with large misorientation spread are more pronounced in the thermomechanical affected zone and regions towards the base metal. Sharp low angle grain boundaries are observed towards the stirred zone. From refined recrystallised grains decorating the grain in the thermomechanical affected zone, a mosaic-like of low and high angle grain boundaries are observed in the stirred zone. The joints have comparable surface residual stresses. The friction stir welding improved the ductility and strength of the as-cast ZK60–1.5RE alloy since the tensile samples fractured in the BM

Metallic fuselage lifetime and testing (MetLife) - Schlussbericht

Wesentliches Ziel des Vorhabens MetLife ist die Steigerung der Einsatzfähigkeit der leichteren Aluminiumlegierungen AIMgSc und AlCuLi im Flugzeugbau. Das Projekt umfasste dabei insgesamt drei Themenbereiche. Im ersten Arbeitspaket wurde der korrosive Einfluss auf die Lebensdauer von FSW-Nähten untersucht. Dabei wurde geprüft wie Korrosionsschutzsysteme für FSW-Nähte im besonders korrosionsgefährdeten Rumpfbereich unterhalb des Fenstergürtels einsetzbar sind. Weiterhin wurden Lebensdauerversuche unter korrosiven Medien durchgeführt, woraus ein quantitatives Verständnis der relevanten Schädigungsmechanismen abgeleitet werden sollte. Der zweite Teil des Projekts befasste sich mit der Bewertung von Schweißdiskontinuitäten in Hinblick auf die Ermittlung von industriell akzeptablen Fehlstellengrenzwerten. Dabei zeigte sich, dass sich AlMgSc sehr gut mittels Ultraschall prüfen lässt. Untersuchungen zur Lebensdauer von FSW-Nähten mit einem lack of penetration (LOP) Defekt haben ergeben, dass das Ermüdungsverhalten dabei nicht nur vom Vorhandensein eines LOP abhängt, sondern auch welcher lokale Defekt sich dabei ergibt. Das dritte Arbeitspaket umfasste die biaxiale Prüfung von flugzeugrumpfähnlichen Kreuzproben. Hierbei wurden Teilaspekte des IMA-Schalentests auf Kreuzproben übertragen, um somit die Szenarien von Umfangs- und Längsrissen, sowie der Rissablenkung zielgerichteter untersuchen zu können. In den Rissfortschrittsversuchen wurden Proben aus AA2024-T351, AA5028-H116, sowie Proben mit einer FSW-Naht getestet. Weiterhin wurde zur Auswertung ein spezieller Postprozessor entwickelt, mit dem sich die vorliegenden Rissspitzenbeanspruchungen mittels digitaler Bildkorrelation (DIC) bestimmen lassen

Effect of Ce-base mischmetal addition on the microstructure and mechanical properties of hot-rolled ZK60 alloy

Mg-Zn-Zr (ZK) alloys exhibit notably high mechanical strength amongst all magnesium alloy grades. However, due to the formation of low melting point Mg3Zn7-precipitates, these alloys are susceptible to hot cracking, thus compromising their metallurgical processing. The addition of rare earths to ZK alloys is an alternative to form higher melting point intermetallic compounds, speed up dynamic recrystallization, refine grain size, enhance corrosion resistance and extend the service temperature due to improved creep resistance. This work deals with the effect of Ce-base mischmetal addition on the hot rolling behaviour of as-cast ZK60 alloy. The microstructure investigation conducted using electron microscopy and X-Ray diffraction shows that precipitation of Mg7Zn3 intermetallics occur during hot rolling, whereas no further precipitation is observed for the ZK60-Mm alloys. The fragmentation of the intermetallic compounds occur during hot rolling and finer particles of Mg7Zn3 are observed for the ZK60, whereas Mg7Zn3 and MgZn2Ce intermetallics are formed in the alloy modified with mischmetal addition. A higher fraction of dynamically recrystallized grains is observed for the ZK60-Mm in comparison to the ZK60. Continuous recrystallization takes place in ZK60 with the formation of sub-grains near to the intermetallics and the addition of mischmetal promotes the occurrence of discontinuous recrystallization with the nucleation of new grains close to the precipitates. The mechanical strength and, in particular, the ductility of the hot-rolled alloys are notably improved when compared to the same alloys in the as-cast condition. The mechanical strength is, however, higher for the ZK60 alloy. Less solid solution strengthening, softer MgZn2Ce intermetallics and more extensive recrystallization contribute to reduce the mechanical strength of ZK60-Mm. Failure in both alloys are initiated at coarse intermetallics and propagate through intermetallic-rich regions

Herstellungs-optimierte Struktur-Montage (HERMO) - Schlussbericht

Im Rahmen des Projekts HERMO wurde innerhalb des KOSMO-Verbundes das Friction Stir Welding (FSW) für die Herstellung von Tailored Welded Blanks sowie zur Ermöglichung splicefreier Faser Metall Laminate (FML) durch FSW dünner Aluminiumbleche untersucht. Hierbei wurden auch wesentliche Aspekte beleuchtet, die für den Einsatz des FSW in der industriellen Praxis relevant sind, wie z.B. Robustheit des FSW-Prozesses hinsichtlich Parametervariation, die Möglichkeit der Ultraschallprüfung von FSW-TWB sowie der Verzug von FSW-Verbindungen wie auch FML. Zusammengefasst konnten basierend auf den Arbeiten Empfehlungen für das TWB-Design sowie geeignete FSW-Parameter (hinsichtlich Fehlerfreiheit und Festigkeit der FSW-Verbindung) für die untersuchten Legierungen 6013 sowie Ko8242 gegeben werden. Auch konnte gezeigt werden, dass der Aspekt des Verzugs beim FSW in erster Näherung sinnvoll über transiente thermo-mechanische FE-Simulationen qualitativ richtig abgebildet werden kann. Erste Untersuchungen zur Ermüdungsrissausbreitung in der FSW-Naht sowie zur Restfestigkeit bei vorhandenem Riss zeigen, dass die bereitgestellten FSW-Parameter grundsätzlich geeignet scheinen, um auch Quer- oder Längsnähte in metallischen Rumpfstrukturen zu erzeugen

Microstructure, mechanical behavior and corrosion properties of friction stir welded aluminum alloys used in the aerospace industry

Friction stir welding (FSW) has been identified as “key” technology for the production of primary aerospace structures, being able to substitute conventional riveted airframes. FSW is a solid state welding process that avoids any problems caused by the solidification of the melted weld pool. Besides the production of high quality similar joints from high strength aluminum alloys, it allows for joining materials of different metallurgical characteristics. However, problems concerning the corrosion behavior of dissimilar joints may arise, since aircrafts operate in corrosive media. For the safe implementation of dissimilar joints, a good understanding of the relevant corrosion mechanisms is required. In this study, the correlation between microstructure, local strength and corrosion behavior of dissimilar FSW joints produced from 2024A and 6056 alloys in two different tempering conditions was investigated. The heat affected zone of 6056 in 2024A-T3/6056-T6 as-welded joints could easily be identified by a marked hardness drop. Coarsening and dissolution of strengthening precipitates in that region brought about the weakest link during static tensile tests. Because of the low strength of as-welded dissimilar joints, welds were also produced from 6056 in the naturally aged T4 condition. After FSW, these joints were aged at 190°C for 10h resulting in a 2024A-T8/6056-T7X tempering condition. Due to a more homogeneous precipitation of hardening particles, the post-weld heat treatment improved hardness and static strength remarkably. The corrosion performance of the dissimilar joints observed in various immersion tests was governed by galvanic coupling between both aluminum alloys. For as-welded joints. The more active 6056-T6 alloy provided cathodic protection to 2024-T3 when exposed to aqueous chloride solutions, particularly under permanent immersion conditions. Strips of alloy 6056 being present in the nugget region corroded preferentially. A significant improvement of the corrosion behavior was observed in the case of the post-weld heat treated 2024A-T8/6056- T7X joints. Because of the higher degree of precipitation, the post-weld heat treatment would degrade corrosion behavior of similar 2024 joints. For dissimilar joints, however, the difference in corrosion potential of both alloys became distinctly lower. Therefore, the postweld heat treatment equalized the corrosive attack and suppressed preferential dissolution of 6056 alloy

Incipient Melting and Corrosion Properties of Friction Stir Welded AA2024 T3 Joints

The effect of welding speed on strength and corrosion behavior of FSW 2024-T3 joints was investigated in the present study. For both strength and corrosion, the transition from the thermo-mechanically affected to the heat affected zone (TMAZ/HAZ) turned out to be the most critical site. Higher welding speeds produced both a smaller hardness drop in the TMAZ/HAZ and a smaller width of the softened zone. Thereby, tensile strength could be improved and the intergranular corrosion attack localized to the overaged TMAZ/HAZ could be reduced. Paradoxically, at lower heat input (i.e. at higher welding speed), the weld nugget region also suffered enhanced intergranular corrosion. SEM examinations of the top surface of FSW 2024-T3 joints revealed the presence of constitutionally melted Al2MgCu (S-phase) particles in that region. The S-phases were mainly localized to the advancing side of the joint, and their volume fraction increased with growing welding speed. Hence it is suggested that a focalization of the thermal source resulted in incipient melting. Eutectic S-phases were formed and served as preferential corrosion sites lowering corrosion resistance of the weld nugget