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Fulltext available Open Access
Title: Microstructure evolution and stress corrosion cracking behavior in short-term thermomechanically processed Al-Cu-Li alloys
Language: English
Authors: Entringer, Jannik 
Keywords: Spannungsrisscorrosion;Aluminium Legierung;Reibrührschweißen;Mikrostruktur;Phasenumwandlung
Issue Date: Aug-2019
Abstract (german): Der stetig wachsende Zugang in den Weltraum hinterlässt menschliche Spuren in erdnahen Umlaufbahnen. Weltraumschrott stellt heute ein erhebliches Risiko für aktive Missionen dar. Die Reduzierung des Weltraumschrotts ist die einzige Möglichkeit den Weltraumzugang nachhaltig zu erhalten. Eine Strategie zur Vermeidung zukünftigen Weltraummülls besteht darin, ausgediente Raumfahrzeuge zum kontrollierten Verglühen in die Atmosphäre zu manövrieren. Diese Strategie wird ab der frühen Entwurfsphase für neue Raumfahrzeuge verfolgt und wird sich auf Materialentscheidungen auswirken. Titan, welches derzeit als Material in Treibstofftanks verwendet wird und einen großen Massenanteil der Gesamtstruktur ausmacht, verglüht beim atmosphärischem Wiedereintritt nur unzureichend. Aluminium-Kupfer-Lithium Legierungen werden als Ersatz für Titan in Treibstofftanks betrachtet, da sie vergleichbare spezifische Materialeigenschaften bei einer niedrigeren Schmelztemperatur bieten. Da Aluminium-Kupfer-Lithium Legierungen in Weltraumanwendungen weniger ausgereift sind als Titan, müssen neue Fügeverfahren eingesetzt werden. Das Reibrührschweißverfahren zeichnet sich durch seine einzigartige Eigenschaft des Fügens im festen Zustand aus. Daher ist es besonders für schwer zu schweißende Legierungen wie Aluminium-Kupfer-Lithium geeignet. Die Entwicklung von Raumstrukturen erfordert ein grundlegendes Wissen über das Materialverhalten, sowohl während der Verarbeitung als auch während des nachfolgenden Einsatzes. In den letzten Jahren wurden Aluminium Kupfer-Lithium Legierungen selten mittels Reibrührschweißen geschweißt. Zudem wurde die zugrundeliegende Entwicklung der Mikrostruktur als komplex beschrieben, sodass bestimmte Aspekte nicht vollständig verstanden und widersprüchlich berichtet wurden. Daher ist das Wissen über geschweißte Konstruktionen unter Belastung und in korrosiver Umgebungen begrenzt. Wenn Aluminium-Kupfer-Lithium Legierungen für den Einsatz in Raumfahrzeugen in Betracht gezogen werden, ist eine grundlegende wissenschaftliche Charakterisierung des Spannungsrisskorrosions verhaltens erforderlich, die sich aus den durch den Schweißprozess hervorgerufenen Mikrostrukturänderungen ergibt. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden zwei moderne Aluminium-Kupfer-Lithium Legierungen mittels eines teilstationären Zweischulter-Reibrührwerkzeuges erfolgreich geschweißt. Der Schweißprozess besteht aus einer kurzzeitigen Hochtemperaturphase, welche zu einer starken Veränderung der Mikrostruktur führt. Anhand der chemischen Zusammensetzungseigenschaften der beiden Legierungen wurde die mikrostrukturelle Entwicklung erläutert. So konnte eine Vergröberung der hauptfestigenden Phasen sowie die Bildung von Gleichgewichtsphasen beobachtet werden, welche zu Festigkeitsverlusten der Schweißnaht führten. Zudem wurde eine Spannungsrisskorrosionsanalyse an geschweißten und ungeschweißten Proben durchgeführt und mit der Mikrostrukturtransformation korreliert. Während das Grundmaterial keine kritische Korrosion unter Spannung zeigte, konnte in den Schweißproben eine Beeinträchtigung festgestellt werden. Daher resultieren die Spannungsrisskorrosionserscheinungen aus der kurzzeitigen Hochtemperaturphase, die durch das Reibrührschweißen hervorgerufen wurde. Der zur Spannungsrisskorrosion führende Mechanismus beruht auf Auslagerungen grober Gleichgewichtsphasen an den Korngrenzen. Diese fördern lokale, galvanische Reaktionen, welche zur Auflösung und der anschließenden Entwicklung eines Rissnetzwerks unter Belastung führen.
Abstract (english): Increasing access to space leaves human footprints in orbits closer to the Earth. Today, space debris poses a major risk for in-service missions and on-ground casualties. Reducing the amount of debris is the only way to preserve key orbits. One strategy to avoid future debris is to maneuver spacecraft after mission into the atmosphere where the structure burns up. This strategy is taken into account at early design stages of modern spacecraft. Therefore, material choices must be made to ensure high structural demisability. Titanium, currently used in propellant tanks, is often a large portion, by mass, of the total structure and does not completely ablate during re-entry. Aluminum-copper-lithium alloys are being considered as a substitute for titanium in propellant tanks because they deliver comparable specific material properties at a higher demisability rate. Because the technology of aluminum-copper-lithium alloys in space structures is not as mature as that of titanium, new joining methods must be developed. Friction stir welding features the unique characteristic of joining in the solid state; thus, it is especially attractive for hard-to-weld alloys such as aluminum-copper-lithium. The development of space structures requires a fundamental knowledge of the material behavior, both during processing and during the subsequent exposure to the environment. In recent years, aluminum copper-lithium alloys have rarely been welded by bobbin tool friction stir welding. The underlying microstructure evolution has been described as complex, certain aspects are not fully understood and contradictory results have been reported. Current knowledge on the behavior of welded joints on this specific alloy under stress and exposed to corrosive environments is limited. Therefore, for the possible use in spacecraft structures, a scientific analysis of the stress corrosion behavior of welded joints is necessary. As part of the present work, two modern aluminum-copper lithium alloys were successfully joined by semi-stationary bobbin tool friction stir welding. Identical parameters allowed a detailed comparison of the process response. The welding process imposes a short time, thermomechanical exposure in the base material that leads to severe microstructure modification. Based on the chemical composition of the two alloys, the microstructural evolution is explained, and a precipitation sequence is proposed. Overaged strengthening precipitates and equilibrium phases of several types were identified to form during welding. These modifications led to a reduced mechanical performance of 78 % of the ultimate tensile strength. Stress corrosion analyses were performed on pre-, as- and post-welded samples and were correlated with the modified microstructure. Stress corrosion cracking phenomena were found to result from the short-time, thermomechanical effect induced by the welding process. The mechanism leading to stress corrosion lies in the modified microstructure, where coarse, precipitates accumulate at the grain boundaries. These particles are observed to promote local galvanic reactions, which promote dissolution and the consequent development of a cracking network under stress.
URI: http://hdl.handle.net/11420/3218
DOI: 10.15480/882.2390
Institute: Werkstoffphysik und -technologie M-22 
Type: Dissertation
Advisor: Huber, Norbert 
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