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 - CHAP A1 - Fedelich, Bernard ED - Cailletaud, G. ED - Cormier, J. ED - Eggeler, G. ED - Maurel, V. ED - Nazé, L. T1 - Crystal orientation and elastic properties N2 - The elastic constants are the most basic mechanical properties of a material and are needed for any structural analysis of a component. For example, they have a major influence on the eigenfrequencies of vibrating parts. Single crystals of Ni-base superalloys are strongly anisotropic, which means that the observed properties are orientation dependent. Tensor algebra is then required to mathematically formulate the elastic properties and their relations to the crystal orientation. Hence, this chapter first summarizes some basic definitions and calculation rules for Rotation matrices, including the definition of the Euler angles, which are most commonly used to define the relative orientations of the crystal and the component. Parts of this chapter closely follow the lines of the excellent exposition of the topic by Olschewski. KW - Nickel-base superalloys KW - Elasticity PY - 2022 SN - 978-0-12-819357-0 SP - 41 EP - 67 PB - Elsevier Inc. AN - OPUS4-53435 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CHAP A1 - Fedelich, Bernard ED - Cailletaud, G. ED - Cormier, J. ED - Eggeler, G. ED - Maurel, V. ED - Nazé, L. T1 - Crystal plasticity models: dislocation based N2 - The large number of TEM investigations and the regular microstructure of single-crystal nickel-base superalloys has boosted the development of a number of physically motivated constitutive laws. In contrast to the more phenomenological models discussed in the next chapter, these models use dislocation densities as internal variables. Obvious advantages are that the computed densities can be compared to TEM observations and the Deformation mechanisms can be easier translated into mathematical equations. KW - Nickel-base superalloys KW - Creep KW - Plasticity PY - 2022 SN - 978-0-12-819357-0 SP - 401 EP - 427 PB - Elsevier Inc. ET - 1 AN - OPUS4-53436 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 - 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 - Fedelich, Bernard A1 - Feldmann, Titus A1 - Haftaoglu, Cetin A1 - Nolze, Gert A1 - Schriever, Sina A1 - Epishin, A. A1 - Camin, B. A1 - Lopez-Galilea, I. A1 - Ruttert, B. A1 - Theisen, W. T1 - Untersuchung des Kriechverhaltens einer Nickelbasis-Superlegierung bei ultrahohen homologen Temperaturen und Anwendung auf das heiß-isostatische Pressen (HIP) N2 - Mit Hilfe des HIP-Verfahrens („Hot Isostatic Pressing“) werden Poren in der einkristallinen Nickel-Basis Superlegierung CMSX-4 kontinuierlich geschrumpft und dadurch die nach der Erstarrung und der Wärmebehandlung vorhandene Porosität stark reduziert. In diesem Beitrag werden experimentelle und numerische Untersuchungen zu den Mechanismen der Porenschrumpfung zusammengefasst. Es zeigt sich, dass das Verformungsverhalten während Kriechversuchen bei der HIP-Temperatur durch Versetzungsgleitung auf oktaedrischen Ebenen dominiert wird. Dagegen zeigen Messungen der Porositätsabnahme und Simulationen des Porenschließens, dass die Kinetik der Porenschrumpfung durch das Phänomen der Leerstellendiffusion zwischen Poren und Kleinwinkelkorngrenzen („Low Angle Boundary“, LAB) bestimmt wird. Im Gegensatz führt die klassische Kristallviskoplastizität zu einer systematischen Überschätzung dieser Kinetik. Der scheinbare Widerspruch lässt sich auflösen, wenn man bedenkt, dass auf der Skala der Poren Versetzungsquellen nicht gleichmäßig verteilt sind, wie in der konventionellen Kristallplastizität implizit angenommen wird. Stattdessen wird in einem weiterführenden Modell davon ausgegangen, das Kleinwinkelkorngrenzen (LABs) als Versetzungsquellen fungieren, während die Scherspannungen sehr stark in der Nähe der Poren lokalisiert sind, was die Emission von Versetzungen deutlich reduziert. T2 - Langzeitverhalten warmfester Stähle und Hochtemperaturwerkstoffe CY - Online meeting DA - 27.11.2020 KW - HIP KW - Superlegierung KW - Kriechen PY - 2020 AN - OPUS4-51795 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Fedelich, Bernard A1 - Feldmann, Titus A1 - Haftaoglu, Cetin A1 - Nolze, Gert A1 - Schriever, Sina A1 - Epishin, A. A1 - Camin, B. A1 - Lopez-Galilea, I. A1 - Ruttert, B. A1 - Theisen, W. T1 - Untersuchung des Kriechverhaltens einer Nickelbasis-Superlegierung bei ultrahohen homologen Temperaturen und Anwendung auf das heiß-isostatische Pressen (HIP) N2 - Mit Hilfe des HIP-Verfahrens („Hot Isostatic Pressing“) werden Poren in der einkristallinen Nickel-Basis Superlegierung CMSX-4 kontinuierlich geschrumpft und dadurch die nach der Erstarrung und der Wärmebehandlung vorhandene Porosität stark reduziert. In diesem Beitrag werden experimentelle und numerische Untersuchungen zu den Mechanismen der Porenschrumpfung zusammengefasst. Es zeigt sich, dass das Verformungsverhalten während Kriechversuchen bei der HIP-Temperatur durch Versetzungsgleitung auf oktaedrischen Ebenen dominiert wird. Dagegen zeigen Messungen der Porositätsabnahme und Simulationen des Porenschließens, dass die Kinetik der Porenschrumpfung durch das Phänomen der Leerstellendiffusion zwischen Poren und Kleinwinkelkorngrenzen („Low Angle Boundary“, LAB) bestimmt wird. Im Gegensatz führt die klassische Kristallviskoplastizität zu einer systematischen Überschätzung dieser Kinetik. Der scheinbare Widerspruch lässt sich auflösen, wenn man bedenkt, dass auf der Skala der Poren Versetzungsquellen nicht gleichmäßig verteilt sind, wie in der konventionellen Kristallplastizität implizit angenommen wird. Stattdessen wird in einem weiterführenden Modell davon ausgegangen, das Kleinwinkelkorngrenzen (LABs) als Versetzungsquellen fungieren, während die Scherspannungen sehr stark in der Nähe der Poren lokalisiert sind, was die Emission von Versetzungen deutlich reduziert. T2 - Langzeitverhalten warmfester Stähle und Hochtemperaturwerkstoffe CY - Online meeting DA - 27.11.2020 KW - HIP KW - Superlegierung KW - Kriechen PY - 2020 SN - 978-3-946885-95-5 VL - 2020 SP - 28 EP - 39 PB - Forschungsvereinigung Warmfeste Stähle und Hochtemperaturwerkstoffe AN - OPUS4-51796 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Fedelich, Bernard A1 - Grützner, Stefan A1 - Haftaoglu, Cetin A1 - Kindrachuk, Vitaliy A1 - Vöse, Markus T1 - Möglichkeiten und Grenzen der rechnerischen Bewertung der Lebensdauer von Bauteilen unter TMF: Viskoplastische Modelle N2 - In diesem Vortrag wird auf einige noch offene Frage zur Anwendung der viskoplastischen Modellierung bei Hochtemperaturermüdung. Insbesondere auf das Problem der Parameterbestimmung wird eingegangen. T2 - Workshop "Konstitutive Viskoplastische Materialmodelle" CY - Institut für Werkstoffkunde (IfW), Technische Universität Darmstadt, Germany DA - 06.11.2019 KW - TMF KW - Viskoplastisch KW - Modell KW - Hochtemperaturermüdung KW - LCF PY - 2019 AN - OPUS4-49611 LA - deu 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 - CONF A1 - Fedelich, Bernard A1 - Epishin, A. A1 - Nolze, Gert A1 - Schriever, Sina A1 - Feldmann, Titus A1 - 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-base superalloys at ultra-high homologous temperature N2 - The creep behavior of single-crystals of the nickel-base superalloy CMSX-4 was investigated at 1288°C, which is the temperature of the hot isostatic pressing (HIP) treatment applied to this superalloy in the industry. It was found that at this super-solvus temperature, where no Gamma’-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-section area psi of [001] crystals reached nearly 100%, while for a [111] crystal psi=62%. The EBSD analysis of deformed specimens showed that despite such a large local strain the [001] crystals didn’t not recrystallize, while a less deformed [111] crystal totally recrystallized within the necking zone. From the shape of deformed specimens and TEM investigations it was concluded that the main strain contribution resulted from <011> {111} octahedral slip. T2 - EuroSuperalloys 2018 CY - Oxford, UK DA - 09.09.2018 KW - Nickel-base superalloys KW - Single-crystals KW - Creep PY - 2018 AN - OPUS4-45989 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -