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Material-Verfestigung durch Ultraschall-Kavitation

Material-Verfestigung durch Ultraschall-Kavitation

Led by:  Dr.-Ing. Jens Twiefel
E-Mail:  twiefel@ids.uni-hannover.de
Team:  Dr.-Ing. Jens Twiefel (Piezo- und Ultraschalltechnik)
Year:  2019

Kavitation die an einer metallischen Grenzfläche auftritt ist üblicherweise mit Verschleiß infolge von Materialerosion verbunden, wobei vier Phasen unterschieden werden: Inkubation, Beschleunigung, Phase der maximalen Erosionsrate, Verminderungsphase. Während der Inkubationsphase ist der Materialverlust gering und es kommt durch die hohen, von der Kavitationsblase erzeugten, Druckstöße zu einer plastischen Verformung. Auf und unter der Oberfläche werden Eigenspannungen entwickelt, die je nach Werkstoff durch Zwillingsbildung, Gleiten oder Spannungsphasen Umwandlung entstehen. Die Materialverfestigung durch Ultraschall-Kavitation wird deshalb nur während der kurzen Inkubationsphase eigesetzt, während der Massenverlust gering und die plastische Formänderung hoch ist. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die Oberflächeneigenschaften und die Ermüdungseigenschaften aus. Genau wie das herkömmliche Kugelstrahlverfahren erzeugt Peening durch US-Kavitation an der Oberfläche Druckeigenspannungen, wodurch die Oberflächenhärte zunimmt, ohne jedoch die Oberflächenrauigkeit nennenswert zu erhöhen. Außerdem handelt es sich bei diesem Peeningverfahren um ein umweltfreundliches Verfahren, weil statt kugeliger Strahlmittel nur Flüssigkeiten erforderlich sind. 

Um eine gute Wirkung zu erzielen, ist ein kleiner Arbeitsabstand von normalerweise unter 1 mm erforderlich. Mit dünnen Kavitationsflüssigkeitsfilmen können nicht nur einige neue Eigenschaften, sondern auch unterschiedliche Behandlungsergebnisse erzielt werden. In der Vergangenheit wurden hauptsächlich die Auswirkungen der unterschiedlichen experimentellen Parameter, wie Frequenz, Temperatur und Schwingungsamplitude untersucht. Eine Untersuchung des Arbeitsabstands und der Ausbreitung des Kavitationsfelds in kleinen Spalten wurde bisher nicht ausreichend durchgeführt. Ziel des Projekts ist es, die Relation zwischen experimentellen Parametern und der Leistungsfähigkeit des Peeningverfahrens durch US-Kavitation zu erforschen. Mittels Sono-Chemolumineszenz (SCL) können sonochemische Reaktionsfelder visualisiert und das Kavitationsfeld beschrieben werden. Demgegenüber kann die Leistungsfähigkeit des Peenings anhand der plastischen Formänderung der behandelten Oberfläche beurteilt werden.