Hydrogen assisted cracking of UHSS for military aerospace applications

URN urn:nbn:de:gbv:705-opus-32028
URL
Dokumentart: Dissertation
Institut: Fakultät Maschinenbau/Allgemein
Fakultät: Fakultät Maschinenbau
Hauptberichter: Prof. Dr.-Ing. Thomas Böllinghaus
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 21.06.2018
Erstellungsjahr: 2018
Publikationsdatum:
DDC-Sachgruppe: Ingenieurwissenschaften

Kurzfassung auf Englisch:

Ultra-High Strength Steels (UHSS) are the predominantly used material on aircraft landing gear systems, to combat the high mechanical and partly impacting loads and to match the criteria of light weight design in airplane engineering. Legacy systems have been commonly manufactured from the low alloyed steel AISI 4340, also known as 36CrNiMo4 with the DIN classification number 1.6511. Another material, 300M, has also been widely used in this application – it is a close variant of AISI 4340 steel that has been alloyed with silicon and vanadium. Both alloys represent fully hardenable low alloyed steels which can reach ultimate strengths of about 2100 MPa and that match the design criteria regarding strength and toughness for landing gear applications, but had poor corrosion resistance. Therefore, these materials were commonly cadmium plated and/or painted with chromate paints to protect them against corrosive environments. These surface treatments worked well to protect the components against corrosion, but have been known for potential introduction of hydrogen into the components at the coating-substrate interface due to industrial processes. A second detrimental effect is the environmentally and personally harmful aspects of the chemical compositions of the surface treatments that have virtually prohibited their use. Ferrium S53, a computationally designed alloy that was tailored specifically for ultra-high strength applications in aerospace systems, has become a viable alternative to the legacy materials. Ferrium S53 met or exceeded all previous criteria for use in landing gear structures while adding an inherent corrosion resistance, which made the previously mentioned surface treatments unnecessary. Ferrium S53 has a highly martensitic microstructure which is susceptible to hydrogen assisted cracking per-se, and this at relative low hydrogen concentration levels. Quantitative investigations of hydrogen dependent properties of aircraft landing gear materials have only scarcely been carried out in the past, although they are essential for respective component life time assessments. To develop an improved scientific understanding of such steels in landing gear components which can be subjected to corrosive media, samples have been taken from materials in the as-delivered condition and, especially, in the used service applied condition. To maintain completely objective test program, the “new barstock” steel was purchased directly from the manufacturer without information about any future testing on the material. The “used component” steel was taken directly from the main landing gear struts of actual U.S. Air Force aircraft with at least 5 years of use. In the case of the “used component” material, selection of where the specimens were extracted would represent the most highly-stressed areas of the component. Based on a substantial analysis of the present state of knowledge regarding hydrogen assisted cracking in martensitic steels, the test program has carefully been selected by following a more multi-disciplinary approach. By such, the materials have been subjected to test series they have not seen up to the present and by which the effects of hydrogen on the mechanical and fractographic behavior in service have been investigated. Among these, a focus has been laid on tensile tests of hydrogen-saturated specimens, also in comparison to the AISI 4340 legacy steel, and on slow strain rate tests (SSRT). The SSRT have been carried out predominantly in artificial but also in natural seawater, partly at elevated temperatures and also at cathodic protection, to evaluate the behavior of the used and service-applied steel Ferrium S53 at extreme conditions in marine environments and to determine potential simple protection measures. Subsequent carrier gas hot extractions, as well as fractographic and metallographic analyses, conveyed in depth results about the cracking behavior of this novel material within presence of hydrogen in the martensitic microstructure.The investigations of the material Ferrium S53 after several years of service can be regarded as globally unique. They also correspond to the approach used by the CAStLE (Center for Aircraft Structural Life Extension) program, located at the U.S. Air Force Academy, to determine and to counteract potential weaknesses and damages of in-service or retired components or systems by suitable analyses. The results of the present contribution confirm that the new computer-designed material Ferrium S53 has superior properties as compared to materials of the type AISI 4340, in all analyses that have been carried out. Among other results, it has been shown by the tensile tests with hydrogen-saturated specimens that the Ferrium S53 steel, in contrast to the AISI 4340 steel, has an improved ductility after similar service durations, even if hydrogen is present in the martensitic microstructure. Also in the as-delivered condition, the Ferrium S53 steel has an improved ductility as compared to the AISI 4340 steel. From SSRT, it turned out that the phenomenology of potential damage of the steel under extreme service in marine climates, as for instance on aircraft carriers in tropical seas, is principally pitting corrosion and subsequent hydrogen assisted stress corrosion cracking. Interestingly, the as-delivered Ferrium S53 steel demonstrated a more brittle intergranular cracking behavior due to the extremely high amount of retained austenite, as compared to the used material with several years of service. Furthermore, a cathodic protection at about [– 600 mV (Ag/AgCl)] proved to be partly effective controlling the pitting corrosion and subsequent hydrogen assisted stress corrosion cracking. However, as compared to previous investigations with other materials which did not consider it, it turned out that such a cathodic protection is accompanied by a minor hydrogen absorption which has to be dealt with during long term usage. However, the SSRT showed a much better behavior of the used and serviceapplied Ferrium S53 steel than at open circuit potentials or respectively increased or decreased potentials. To sum up, the present investigations exhibit a significantly improved behavior of the novel computer-designed Ferrium S53 steel after a service period of more than five years with respect to potential hydrogen assisted stress corrosion cracking, as compared to the new as-delivered condition and also as compared to the new and used legacy AISI 4340 steel.

Kurzfassung auf Deutsch:

Für Flugzeugfahrwerke werden ultra-hochfeste Stähle (engl.: Ultra-High Strength Steels – UHSS) eingesetzt, um sowohl die hohen mechanischen und teilweise stoßartigen Beanspruchungen, aber auch um den Designkriterien des Leichtbaus gerecht zu werden. Die vorhandenen Systeme wurden bisher überlicherweise aus dem Werkstoff AISI 4340, einem niedriglegierten Stahl des Typs 36CrNiMo4 mit der Werkstoffbezeichnung 1.6511 hergestellt. Ein weiterer Werkstoff trägt die Bezeichnung 300M. Hierbei handelt es sich um einen modifizierten Stahl AISI 4340, der zudem mit Silizium und Vanadium legiert ist und einen leicht erhöhten Kohlenstoff- und Molybdängehalt aufweist. Bei beiden Werkstoffen handelt es sich um nach der maschinellen Bearbeitung voll aushärtbare niedriglegierte Stähle, die EndDehngrenzen von bis zu 2100 MPa erreichen und die Designkriterien bezüglich Festigkeit und Zähigkeit einhalten, aber eine geringe Korrosionsresistenz aufweisen. Deshalb werden solche Werkstoffe üblicherweise mit Cadmium beschichtet und/oder mit Chromat-haltigen Farben ausreichend gegen korrosive Umgebungen geschützt. Diese Art des Korrosionsschutzes ist zwar wirksam, allerdings ist bekannt, dass dadurch Wasserstoff an der Grenzfläche zwischen Substrat und Beschichtung während der industriellen Produktion aufgenommen werden kann. Als zweiter nachteiliger Effekt hat sich zudem herausgestellt, dass die chemische Zusammensetzung die Umwelt und das Personal schädigen kann, sodass die quasi zu einem Anwendungsverbot geführt hat. Bei dem Stahl mit der kommerziellen Bezeichnung Ferrium S53 handelt es sich um eine inzwischen einsatzfähige Alternative für die herkömmlichen Werkstoffe. Diese neue mit neuesten rechnergestützten Verfahren entwickelte Designlegierung wurde vor allem für den Einsatz in höchstfesten Komponenten und Systemen im Flugzeugbau entwickelt. Der Stahl Ferrium S53 erfüllte oder übertraf sogar alle vorherigen Kirterien, die an Flugzeugfahrwerke gestellt wurden und wies zugleich einen Korrosionswiderstand auf, die die vorherigen Oberflächenbehandlungen unnötig machte. Die Legierung Ferrium S53 weist jedoch ebenfalls eine nahezu vollständig martensitische Mikrostruktur auf, die per se anfällig für eine wasserstoffunterstützte Rissbildung (engl.: Hydrogen Assisted Cracking – HAC) ist – und dies bereits bei verhältnismäßig niedrigen Wasserstoffkonzentrationen. Quantitative Untersuchungen der wasserstoffabhängigen Materialeigenschaften solcher Werkstoffe für Flugzeugtragwerke wurden bisher allerdings kaum durchgeführt und – wenngleich sie für entsprechend Lebensdaueruntersuchungen der Komponenten essentiell sind. Um ein besseres wissenschaftliches Verständnis bezüglich des Verhaltens dieser Stähle in Flugzeugfahrwerken, die wasserstoffentwickelnden korrosiven Medien ausgesetzt sein können, zu entwickeln, wurden sowohl Proben aus den Werkstoffen im Lieferzustand, als auch insbesondere aus im Einsatz gewesenen Komponenten entnommen. Aus Unabhängigkeitsgründen wurden die Werkstoffe im Lieferzustand eingekauft, ohne den Verkäufer über die entsprechenden Versuche zu informieren. Der im eingesetzte Werkstoff wurde direkt aus dem Hauptfahrwerk eines Flugzeuges der US Air Force entnommen, das eine Betriebsdauer von mindestens fünf Jahren hatte. Die Proben wurden aus dem Fahrwerk zudem an den am höchsten beanspruchten Stellen entnommen. Basierend auf einer umfangreiche Analyse des derzeitigen Kenntnisstandes zur wasserstoffunterstützten Rissbildung martensitischen Stähle wurde das Versuchsprogramm sorgfältig aus gewählt, indem ein eher multidiziplinärer Ansatz gewählt wurde. Hierbei wurden die Werkstoffe vor allem bisher nicht durchgeführten Versuchsserien unterzogen, in denen die Wirkungen von Wasserstoff auf das mechanische und fraktografische Verhalten im Betrieb untersucht wurden. Hierbei standen Zugversuche mit wasserstoffgesättigten Proben, auch im Vergleich zu dem herkömmlichen Stahl AISI 4340, und unter langsamer Dehnung (Slow Strain Rate Tests – SSRT) im Vordergrund. Die SSRT wurden überwiegend in künstlichem aber auch in natürlichem Meerwasser durchgeführt, teilweise auch bei erhöhten Temperaturen und unter kathodischem Schutz, um das Verhalten des neuen Fahrwerkstahles Ferrium S53 unter extremen Bedinungen in maritimen Umgebungen zu untersuchen und gleichzeitig mögliche einfache Schutzmaßnahmen zu ermitelln. Begleitende Heißgasextraktionen sowie fraktografische und metallografische Analysen lieferten vertiefte Erkenntnisse über das Rissverhalten dieses neuen Werkstoffes unter Präsenz von wasserstoff im martensitischen Gefüge. Die Untersuchungen an dem bereits mehrere Jahre im Einsatz befindlichen Werkstoff Ferrium S53 sind als weltweit einmalig anzusehen. Sie entsprechen im übrigen dem Ansatz des Programms CASTLE der US Air Force mittels geeigneter Analysen an im Einsatz befindlichen oder außer Dienst gestellten Komponenten und Systemen, präventiv mögliche Schwachstellen und Schäden zu erkennen und diesen entgegenzuwirken. Die Ergbnisse der Arbeit bestätigen, dass der neue computerdesignte Werkstoff Ferrium S53 gegenüber den herkömmlichen Werkstoffen des Typs AISI 4340 deutlich verbesserte Eigenschaften aufweist, und zwar in allen durchgeführten Analysen. Unter anderem zeigte sich anhand der Zugversuche mit wasserstoffgesättigten Proben, dass der Stahl Ferrium S53 gegenüber dem Stahl AISI 4340 eine wesentlich bessere Zähigkeit nach etwa derselben Einsatzdauer im Betrieb aufweist, auch wenn Wasserstoff im mmartensitischen Gefüge vorliegt. Auch gegenüber dem Lieferzustand weist der Stahl S53 im gehärteten Zustand eine höhere Zähigkeit auf. In den SSRT zeigte sich, dass die Phänomenologie einer möglichen Schädigung des Stahles in unter extremem Einsatz in maritimen Klimata, bspw. auf Flugzeugträgern in tropischen Gewässern, grundsätzlich aus vorgehender Lochkorrosion bei recht negativen Potentialen mit nachfolgender wasserstoffunterstützter Spannungsrisskorrosion besteht. Interessanterweise zeigt der Stahl Ferrium S53 im Lieferzustand aufgrund des sehr hohen Anteils an noch vorhandenem Restaustenit unter dieser Schädigungsphänomenologie ein deutlich spröderes interkristallines Verhalten, als der bereits mehrere Jahre im Einsatz gewesene Werkstoff. Darüber hinaus stellte sich heraus, dass ein kathodischer Schutz von ca. – 600mV(Ag/AgCl) teilweise wirksam gegen Lokalkorrosion (Pitting) und nachfolgende wasserstoffunterstützte Spannungsrisskorrosion sein kann. Gegenüber bisherigen Untersuchungen, die diesen Aspekt nicht in Erwägung gezogen hatten, stellte sich heraus, dass auch ein solcher kathodischer Schutz von einer, wenn auch geringeren Wasserstoffabsorption begleitet wrid, die im Langzeitbetrieb beachtet werden sollte. Allerdings zeigte sich in den SSRT ein deutlich besseres Verhalten unter einem solchen kathodischen Schutz heraus, als bei freien Korrosionspotentialen bzw. demgegenüber erhöhten oder abgesenkten Potentialen. Insgesamt ergibt sich aus den vorliegenden Untersuchungen bezüglich einer möglichen wasserstoffunterstützten Risskorrosion ein deutlich besseres Verhalten des neuen computerdesignten Stahles Ferrium S53 nach einer Nutzungsdauer von mehr als fünf Jahren als im Lieferzustand sowie gegenüber dem herkömmlichen Stahl AISI 4340.

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