Mechanical integrity and corrosion behavior of metal-composite hybrid joints produced with Friction Spot Joining

Die Kombination von faserverstärkten Polymerverbundwerkstoffen und Leichtmetalllegierungen bietet sich für den Einsatz in Leichtbaustrukturen im Transportsektor an, hauptsächlich aufgrund der optimalen spezifischen Festigkeit und Steifigkeit dieser Materialienkombination. Die Möglichkeit, Metalle und Verbundwerkstoffe zu verbinden, ist ein wichtiger Aspekt für die Kosteneffektivität der Hybridstrukturen in der Massenproduktion. Friction Spot Joining (FSpJ) ist eine alternative Festphase-Verbindungstechnik, die ihr Potenzial als Verbindungslösung für Hybridstrukturen durch das Erzielen guter mechanischer Eigenschaften und langer Haltbarkeit in früheren Untersuchungen bewiesen hat. Die industrielle Hochskalierung dieser neuen Technologie erfordert jedoch weitere Untersuchungen hinsichtlich der mechanischen Integrität und des Korrosionsverhaltens der damit hergestellten Verbindungen. Daher wurde diese Arbeit dem Verständnis der Schadensentwicklung an der Grenzfläche von AA2024-T3/CF-PPS FSpJ-Verbindung gewidmet. Die Finite-Elemente-Methode wurde angewandt und die einzelnen Verbindungszonen wurden basierend auf einem Gesetz der Traktions-Separation diskretisiert. Es wurde beobachtet, dass der Riß in der AZ ausgelöst wird und sich als symmetrische lineare Front von den Rändern zum Zentrum der verbundenen Fläche ausbreitet. Da sich der Schaden innerhalb der PDZ ausbreitet, wird die Ausbreitung zu einer unsymmetrischen linearen Front, die sich aufgrund der höheren Schälbeanspruchung in diesem Bereich vorzugsweise von der freien Kante des CF-PPSs her entwickelte. Basierend auf den Ergebnissen dieser Studie wurden Modifikationen der herkömmlicherweise angenommenen Versagenstheorie für FSpJ vorgeschlagen. Zusätzlich wurde die Ermüdung und Schadenstoleranz der Verbindungen unter einem gemischten I/II-Belastungsmodus bewertet. Die AZ zeigte eine geringe Risswachstumsresistenz (GI/II = 0,85 ± 0.01 J m-2), während die PDZ die am schadenstoleranteste Zone der Verbindungen darstellt (GI/II = 274 ± 1 J m-2). Das Ermüdungsrisswachstum der Verbindungen wird durch die Bindungszonen bestimmt und erfolgt in drei Stufen: Initiierung, linearer Bereich und instabiles Risswachstum. Eine stabile Risswachstumsrate wurde für AZ (0,10 ± 0,03 mm/Zyklus) und PDZ (0,006 ± 0,001 mm/Zyklus) gefunden. Dies zeigt, dass die Hauptverbindungszonen der FSpJ-Verbindungen definierte Eigenschaften haben, die das mechanische Verhalten der Verbindungen unter zyklischer Belastung bestimmen. Im Allgemeinen weisen die FSpJ-Verbindungen im Vergleich zu Klebeverbindungen eine geringere und stabilere Risswachstumsrate auf. Die Schlagzähigkeit der Verbindungen wurde mit dem Fallgewichtsversuch untersucht. Vier Stufen der Aufprallenergie wurden getestet: 2 J, 4 J, 6 J und 8 J. Eine einzelne FSpJ-Verbindung absorbierte bis zu 103 kJ m-2, während in der Literatur eine Energieabsorption von nur 48 kJ m-2 für Klebeverbindungen berichtet wurde. Die Restfestigkeit der Verbindungen nach dem Aufprall wurde durch Scherzugprüfungen bewertet. Die Verbindungen, die von der Aluminiumseite belastet wurden, absorbieren die Aufprallenergie in der globalen plastischen Verformung des Aluminiumteils, was die Ablösung der Grenzfläche verursacht. Die Aufprallenergie bei einer Belastung der Kompositseite wird größtenteils durch die Erzeugung und Ausbreitung von Beschädigungen in den Lagen des Verbundwerkstoffes absorbiert. Somit wird die Aufprallenergie im Falle eines Komposit-seitigen Aufpralls nur teilweise auf die Grenzfläche der Verbindungen übertragen. Dadurch wiesen diese Verbindungen nach dem Aufprall eine höhere Scherrestfestigkeit auf. Zudem wurde das Korrosionsverhalten der hergestellten Verbindungen während einer sechs-wöchigen Belastung mit Salzspray untersucht. Vier Stufen wurden identifiziert und mit der globalen Festigkeitsabnahme der Verbindungen korreliert: I - Wasser- und NaCl-Migration und anschließende Plastifizierung des Verbundwerkstoffes (-24% ULSF), II - Korrosionsschutz der PDZ durch die Polymerschicht in der AZ (-28% der ULSF), III - Ablösung der Polymerschicht in der AZ und Korrosion in der PDZ (-44% der ULSF), IV - generalisierte Korrosion in der PDZ und damit Abbau der Restfestigkeit. Zur Aufskalierung der FSpJ-Technologie wurde eine Flugzeugrumpf-Subkomponente mit FSpJ konstruiert. Im Vergleich zu Vollmetall- Nietkonstruktionen wurde eine Gewichtsreduktion von 20% erreicht, was die Einsatzbarkeit von FSpJ als Verbindungslösung für Flugzeughybridstrukturen erfolgreich demonstriert.The combination of fiber-reinforced polymer composites and lightweight alloys has emerged as a lightweight solution for the transportation sector, mainly due to the optimal specific strength and stiffness associated with these materials. The possibility of joining metals and composites is an important topic for the cost-effectiveness of hybrid structures in mass production. Friction Spot Joining (FSpJ) is an alternative solid-state joining technique for hybrid structures. This technology has demonstrated its potential as a joining solution for metal-composite structures by attaining high mechanical and durability performances in previous investigations. Nevertheless, the industrial transferability of such new technology requires further assessment regarding the mechanical integrity and corrosion behavior of the joints. Therefore, this thesis is dedicated to understand the damage evolution at the interface of AA2024-T3/CF-PPS friction spot joints. For this purpose, finite element modelling was applied and the bonding zones of the joints were discretized using the traction-separation law. It was demonstrated that the damage in friction spot joints initiates at the AZ (adhesion zone) and then propagates as a symmetric linear front from the edges towards the center of the joined area. Nevertheless, as the damage advances inside the PDZ (plastically deformed zone), its propagation became an asymmetrical linear front that evolves preferably from the free edge of the composite part due to the higher peeling stresses in this region (asymmetrical secondary bending of the structure took place due to differential stiffness of materials). Based on the findings of this study, modifications were proposed to the failure theory previously stated for friction spot joints. In addition, the fatigue damage tolerance of the joints was evaluated under mixed-mode I/II loading. The AZ presented low crack growth resistance (GI/II = 0.85 ± 0.01 J m-2), while the PDZ demonstrated to be the most damage tolerant zone of the joints (GI/II max = 274 ± 1 J m-2). The fatigue crack growth of the friction spot joints was dictated by the bonding zones and occurred in three well-defined stages: initiation, linear region, and unstable crack growth. Steady crack growth rates were found for AZ (0.10 ± 0.03 mm/cycle) and PDZ (0.006 ± 0.001 mm/cycle). This shows that the main bonding zones of these joints have defined properties. Thereby, the mechanical behavior of the joints can be tailored by their zones. Moreover, the friction spot joints generally present inferior and more stable fatigue crack growth rates when compared to adhesive bonded joints. The impact resistance of the joints was investigated using the drop weight test. Four levels of impact energy were tested: 2 J, 4 J, 6 J, and 8 J. The joints were aluminum-side and composite-side impacted to provide a preliminary design guideline regarding the impact damage tolerance of such hybrid joints. This study showed that a friction spot joint absorbs up to 103 kJ m-2 of the joined area, while the literature reports energy absorption up to 48 kJ m-2 for bonded joints. Shear after impact (ShAI) test was employed to evaluate the residual strength of the joints. The impact energy introduced from the aluminum-side was mostly absorbed into the global plastic deformation of the aluminum part, thereby promoting the detachment of the joint interface. Otherwise, the impact energy introduced from the composite-side was mostly absorbed into the creation/extension of internal damage through the plies of the composite. Thus, the impact energy was only partially transferred to the interface of the joint in case of composite-side impact. Consequently, these joints presented higher residual strength than the aluminum-side impacted joints. Further, the corrosion behavior of the joints was investigated during six weeks of salt spray exposure. The process-related changes in the microstructure, precipitation state, and local mechanical performance of the aluminum part were investigated and correlated with the corrosion development on the top surface of the joints. Regarding the corrosion at the interface of the joints, four stages were identified and correlated with the global strength degradation of the joints: I – Water and NaCl migration and the consequent plasticization of the composite (-24% of ULSF); II – corrosion protection of the PDZ by the polymer layer in the AZ (-28% of ULSF); III – detachment of the polymer layer in the AZ and corrosion inside the PDZ (-44% of ULSF); and IV – generalized corrosion in the PDZ causing the final strength degradation of the joints. Finally, as a first step for the upscaling of the FSpJ technology, a fuselage sub-component was constructed using FSpJ in combination with other friction-based technologies. A reduction of 20% in weight was reached in comparison with the full-metallic and bolted design, thereby successfully demonstrating the potential of FSpJ as a joining solution for hybrid aircraft structures in the future.Brazilian National Council for Scientific and Technological Development (CNPq), grant 200694/2015-4