TY - JOUR A1 - Ruffini, A. A1 - Le Bouar, Y. A1 - Finel, A. A1 - Epishin, A. I. A1 - Fedelich, Bernard A1 - Feldmann, Titus A1 - Viguier, B. A1 - Poquillon, D. T1 - Dislocations interacting with a pore in an elastically anisotropic single crystal nickel-base superalloy during hot isostatic pressing N2 - The formation of pores in CMSX-4 nickel based superalloys is detrimental to the service life of the material. A way to avoid the problem is to treat the superalloys under Hot Isostatic Pressing (HIP), which enables a large volume fraction of pores to be annihilated. This paper aims to understand the contribution of plastic activity related to the gliding of dislocations on the pore annihilation. Simulations based on a phase-field model of dislocation are performed and make it possible to consider the strong anisotropy of the CMSX-4 under HIP conditions in conjunction to the strong elastic heterogeneity introduced by the pore. For pores with a radius of few micrometers, it is shown that edge parts of dislocation lines that present an extra half atomic plane oriented towards the pore are stacked above and under it in the direction which is perpendicular to their slip-planes, causing an increase of the number of dislocation along the four octahedral directions of the FCC single crystal which intersect the pore center. Results are streamlined within the isotropic elastic theory of dislocations. Effects of elastic anisotropy and dislocation reactions are also investigated in order to specify what would be the dislocation configuration around a pore in CMSX-4 under HIP conditions. Notably, the elastic anisotropy is shown to significantly modify the arrangement of dislocations close to the pore equator. Simulations also allow for the characterization of pore/dislocation interactions when dislocations are involved in Low Angle Boundaries as experimentally observed. KW - HIP KW - Superalloys KW - Dislocation KW - Pore KW - Phase-field PY - 2022 DO - https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2021.111118 SN - 0927-0256 VL - 204 SP - 1 EP - 14 PB - Elsevier CY - Amsterdam AN - OPUS4-54220 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Epishin, A. I. A1 - Fedelich, Bernard A1 - Viguier, B. A1 - Schriever, Sina A1 - Svetlov, I. L. A1 - Petrushin, N. V. A1 - Saillard, R. A1 - Proietti, A. A1 - Poquillon, D. A1 - Chyrkin, A. T1 - Creep of single-crystals of nickel-base γ-alloy at temperatures between 1150 °C and 1288 °C N2 - A γ-analogue of the superalloy CMSX-4 that does not contain the strengthening γ′ -phase and only consists of the γ-solid solution of nickel has been designed, solidified as single-crystals of different orientations, and tested under creep conditions in the temperature range between 1150 and 1288 °C. The tests have revealed a very high creep anisotropy of this alloy, as was previously found for CMSX-4 at supersolvus temperature of 1288 °C. This creep anisotropy could be explained by the dominance of 〈011〉{111} octahedral slip. Furthermore, the analysis of the creep data has yielded a high value of the creep activation energy, Qc≈442 kJ/mol, which correlates with the high activation energy of Re diffusion in Ni. This supports the hypothesis that dislocation motion in the γ-matrix of Re-containing superalloys is controlled by the diffusion of the Re atoms segregating at the dislocation core. The Norton stress exponent n is close to 5, which is a typical value for pure metals and their alloys. The absence of γ′ -reprecipitation after high-temperature creep tests facilitates microstructural investigations. It has been shown by EBSD that creep deformation results in an increasing misorientation of the existing low angle boundaries. In addition, according to TEM, new low angle boundaries appear due to reactions of the a/2 〈011〉 mobile dislocations and knitting of new networks. KW - Nickel alloys KW - Single-crystals KW - Creep KW - Electron microscopy KW - Deformation mechanisms PY - 2021 DO - https://doi.org/10.1016/j.msea.2021.141880 SN - 0921-5093 VL - 825 SP - 1 EP - 13 PB - Elsevier CY - Amsterdam AN - OPUS4-53132 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Epishin, A. A1 - Bokstein, B. A1 - Svetlov, I. A1 - Fedelich, Bernard A1 - Feldmann, Titus A1 - Le Bouar, Y. A1 - Ruffini, A. A1 - Finel, A. A1 - Viguier, B. A1 - Poquillon, D. T1 - A vacancy model for pore annihilation during hot isostatic pressing of single-crystal nickel-base superalloys N2 - An improved diffusion model is proposed for pore annihilation during HIP of single-crystal nickel-base superalloys. The model assumes the pore dissolution by emission of vacancies and their sink to the low angle boundaries. Calculation, considering distribution of the pore sizes, predicts the kinetics of pore annihilation similar to the experimental one. KW - Single crystal superalloys KW - Hot isostatic pressing (HIP) KW - Porosity KW - Diffusion KW - Vacancies PY - 2018 DO - https://doi.org/10.1134/S2075113318010100 SN - 2075-1133 VL - 9 IS - 1 SP - 57 EP - 65 PB - Pleiades Publishing, Ltd. AN - OPUS4-43990 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Bernard, D. A1 - Léonard, Fabien A1 - Plougonven, E. A1 - Bruno, Giovanni T1 - On the use of autocorrelation functions, permeability tensors, and computed tomography to characterize the anisotropy of Diesel particulate filter materials N2 - 3D images such as those produces by X-ray tomography can provide a wealth of information on the internal structure of materials, but quantification of specific geometrical or topological characteristics linked to some bulk physical property is far from being straightforward. This study focuses on methods to quantify the differences in physical properties as a function of direction, i.e. their anisotropy, and how it can be linked to measures of anisotropy of the internal structure of the material. The auto-correlation function gives a similarity measure in the volume as a function of distance and direction. This is a cross-correlation of the image with itself fast to compute and relatively insensitive to noise. It is why we focus on this method to compare with the physical property of our DPF material. Diesel Particulate Filter (DPF) materials are porous ceramics that; a) can be used at very high temperatures; b) have very good thermal shock resistance; c) are inert; d) can be manufactured with tailored porosity. Their usual way of production consists of the extrusion of a slurry into the desired filter shape, with successive ceramming at high temperature. This process causes anisotropy at both microscopic and macroscopic levels. T2 - ICTMS 2019 CY - Cairns, Australia DA - 22.07.2019 KW - Structure-property relationship KW - Anisotropy estimate KW - Porous ceramics KW - Autocorrelation PY - 2019 AN - OPUS4-49226 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Epishin, A. A1 - Fedelich, Bernard A1 - Nolze, Gert A1 - Schriever, Sina A1 - Feldmann, Titus A1 - Farzik Ijaz, M. A1 - Viguier, B. A1 - Poquillon, D. A1 - Le Bouar, Y. A1 - Ruffini, A. A1 - Finel, A. T1 - Creep of single crystals of nickel-based superalloys at ultra-high homologous temperature N2 - The creep behavior of single crystals of the nickel-based superalloy CMSX-4 was investigated at 1288 °C, which is the temperature of the hot isostatic pressing treatment applied to this superalloy in the industry. It was found that at this super-solvus temperature, where no gammaPrime-strengthening occurs, the superalloy is very soft and rapidly deforms under stresses between 4 and 16 MPa. The creep resistance was found to be very anisotropic, e.g., the creep rate of [001] crystals was about 11 times higher than that of a [111] crystal. The specimens of different orientations also showed a very different necking behavior. The reduction of the cross-sectional area psi of [001] crystals reached nearly 100 pct, while for a [111] crystal psi = 62 pct. The EBSD analysis of deformed specimens showed that despite such a large local strain the [001] crystals did not recrystallize, while a less deformed [111] crystal totally recrystallized within the necking zone. The recrystallization degree was found to be correlated with deformation behavior as well as with dwell time at high temperature. From the analysis of the obtained results (creep anisotropy, stress dependence of the creep rate, traces of shear deformation, and TEM observations), it was concluded that the main strain contribution resulted from <01-1>{111} octahedral slip. T2 - 3rd European Conference on Superalloys (‘Eurosuperalloys 2018’) CY - Oxford, UK DA - 9.9.2018 KW - Single-crystal KW - Superalloy KW - Creep KW - Isostatic hot pressing (HIP) PY - 2018 DO - https://doi.org/10.1007/s11661-018-4729-6 SN - 1073-5623 SN - 1543-1940 VL - 49A IS - 9 SP - 3973 EP - 3987 PB - Springer Sciences & Business Media CY - New York, NY AN - OPUS4-45660 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Passiu, Cristiana A1 - Rossi, Antonella A1 - Bernard, Laetitia A1 - Paul, Dennis A1 - Hammond, John A1 - Unger, Wolfgang A1 - Venkataraman, Nagaiyanallur V. A1 - Spencer, Nicholas D. T1 - Fabrication and Microscopic and Spectroscopic Characterization of Planar, Bimetallic, Micro- and Nanopatterned Surfaces N2 - Micropatterns and nanopatterns of gold embedded in silver and titanium embedded in gold have been prepared by combining either photolithography or electron-beam lithography with a glue-free template-stripping procedure. The obtained patterned surfaces have been topographically characterized using atomic force microscopy and scanning electron microscopy, showing a very low root-mean-square roughness (<0.5 nm), high coplanarity between the two metals (maximum height difference ≈ 2 nm), and topographical continuity at the bimetallic interface. Spectroscopic characterization using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), time-of-flight secondary-ion mass spectrometry (ToF-SIMS), and Auger electron spectroscopy (AES) has shown a sharp chemical contrast between the two metals at the interface for titanium patterns embedded in gold, whereas diffusion of silver into gold was observed for gold patterns embedded in silver. Surface flatness combined with a high chemical contrast makes the obtained surfaces suitable for applications involving functionalization with molecules by orthogonal adsorption chemistries or for instrumental calibration. The latter possibility has been tested by determining the image sharpness and the analyzed area on circular patterns of different sizes for each of the spectroscopic techniques applied for characterization.This is the first study in which the analyzed area has been determined using XPS and AES on a flat surface, and the first example of a method for determining the analyzed area using ToF-SIMS. KW - XPS KW - AES KW - SIMS KW - Lateral resolution KW - Test pattern PY - 2017 UR - http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.langmuir.7b00942 DO - https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.7b00942 SN - 0743-7463 VL - 33 IS - 23 SP - 5657 EP - 5665 PB - ACS AN - OPUS4-40929 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - RPRT A1 - Gesell, Stephan A1 - Fedelich, Bernard A1 - Rehmer, Birgit A1 - Uhlemann, Patrick A1 - Skrotzki, Birgit A1 - Ganesh, R. A1 - Dude, D. P. A1 - Kuna, M. A1 - Kiefer, B. T1 - TMF-Rissverlaufsberechnung für ATL-Heißteile N2 - Die Steigerung der Leistung und des thermodynamischen Wirkungsgrades von Verbrennungsmotoren führt zu erhöhten Anforderungen an die Festigkeit abgasführender Komponenten wie z. Bsp. Abgasturbolader. Als Folge erhöhter thermomechanischer Wechselbeanspruchungen (TMF) im Betrieb kommt es an den mechanisch und/oder thermisch höchst beanspruchten Stellen der Bauteile zur Bildung von Rissen, wodurch die Lebensdauer der Komponenten begrenzt wird. Derzeit werden bei Turboladern heißgehende Bauteile mit detektierten Rissen zumeist prophylaktisch ersetzt, da die weitere Ausbreitung der Risse während des Betriebs nicht vorhergesagt werden kann. Um diese aufwändige und un- ökonomische Praxis zu vermeiden, wurde im vorliegenden Forschungsvorhaben eine rechnerische Bewertungsmethode auf Basis der experimentellen und numerischen Bruchmechanik erarbeitet, mit deren Hilfe bereits in der Auslegungsphase oder während des Betriebs die (restliche) Lebensdauer der abgasführenden Komponenten vorhergesagt werden kann. Damit wird erstmalig die quantitative Vorhersage der Rissentwicklung bei TMF-Beanspruchungsbedingungen unter Berücksichtigung großer zyklischer viskoplastischer Verformungen ermöglicht. Zentrales Ergebnis des Vorhabens ist eine automatisierte Berechnungsprozedur auf der Basis spezieller Finite-Elemente-Techniken (FEM), womit sowohl der Pfad als auch die Größe eines Risses als Funktion der Anzahl der Lastwechsel in Bauteilen unter TMF-Bedingungen berechnet werden kann. Als geeigneter Beanspruchungsparameter zur Bewertung des Rissfortschritts unter TMF wurde die zyklische Rissöffnungsverschiebung ΔCTOD verwendet. Das Werkstoffverhalten des betrachteten austenitischen Gusseisens Ni-Resist D-5S wurde mit einem validierten viskoplastischen, temperaturabhängigen Materialmodell modelliert, das zur Berücksichtigung große Verzerrungen und Rotationen am Riss erweitert wurde. Für die genaue Berechnung des ΔCTOD bei TMF wurden effiziente FEM-Techniken erarbeitet. Zur Simulation der Rissausbreitung wurde ein automatischer FEM-Algorithmus mit inkrementeller adaptiver Neuvernetzung entwickelt, bei dem die Verformungen und inelastischen Zustandsvariablen jeweils vom alten auf das neue Netz übertragen werden. Dieser Algorithmus wurde im Software-Paket ProCrackPlast implementiert, das in Verbindung mit dem kommerziellen FEM-Code Abaqus zur Lösung dreidimensionaler Rissprobleme zur Verfügung steht. Ziel der umfangreichen experimentellen Arbeiten war es, an isothermen LCF und anisothermen TMF-Versuchen mit gekerbten Flachzugproben (SENT) das Risswachstum im Temperaturbereich von 20 °C bis 700 °C zu ermitteln. Mit Hilfe begleitender 2D FEM Simulationen wurden anhand dieser Datenbasis die Rissfortschrittskurven des Werkstoffs unter Anwendung des ΔCTOD-Konzepts bestimmt und in geeigneter, parametrisierter Form den Nutzern zur Verfügung gestellt. Die Versuche an SENT-Proben wurden mit der entwickelten Software ProCrackPlast als 3D Modell simuliert. Der Vergleich der 2D und 3D Simulationen ergab einen systematischen Unterschied im CTOD und CTOD, der mit Hilfe eines Übertragungsfaktors korrigiert wurde. Der Vergleich der 3D Berechnungen mit den Experimenten zeigte eine zufriedenstellende Übereinstimmung der er- reichten Risslänge mit der Zahl der Lastzyklen im gesamten Temperaturbereich, wobei die numerische Prognose meist auf der konservativen / sicheren Seite lag. Die Übertragbarkeit der Ergebnisse der 2D Parameteridentifikation auf 3D Risskonfigurationen mit Mixed-Mode Beanspruchung ist mit zusätzlichen Versagenshypothesen verbunden, die aufgrund fehlender Versuchsdaten im Vorhaben nicht endgültig geklärt werden konnten. Zur Validierung des Gesamtkonzeptes wurden LCF-Proben mit einem bauteil- typischen Oberflächenriss experimentell und numerisch untersucht. In der Simulation konnte die komplexe Form und Größe der Rissentwicklung zufriedenstellend (richtig) vorhergesagt werden. Die Leis- tungsfähigkeit der erarbeiteten rechnerische Bewertungsmethode wurde an weiteren TMF-Beispielen vorgestellt und diskutiert. Die Software ProCrackPlast und die viskoplastische Materialroutine wurden dem Anwenderkreis des Vorhabens zusammen mit einem Nutzer-Handbuch und Verifikationsbeispielen zur Verfügung gestellt. Das Ziel des Forschungsvorhabens ist erreicht worden. KW - Abgasturbolader Heißteile KW - Numerische Simulation KW - Rissverlauf PY - 2023 VL - 1320 SP - 1 EP - 137 PB - Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen (FVV) CY - Frankfurt am Main AN - OPUS4-56960 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -