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Separation of the Formation Mechanisms of Residual Stresses in LPBF 316L

  • Rapid cooling rates and steep temperature gradients are characteristic of additively manufactured parts and important factors for the residual stress formation. This study examined the influence of heat accumulation on the distribution of residual stress in two prisms produced by Laser Powder Bed Fusion (LPBF) of austenitic stainless steel 316L. The layers of the prisms were exposed using two different border fill scan strategies: one scanned from the centre to the perimeter and the other from the perimeter to the centre. The goal was to reveal the effect of different heat inputs on samples featuring the same solidification shrinkage. Residual stress was characterised in one plane perpendicular to the building direction at the mid height using Neutron and Lab X-ray diffraction. Thermography data obtained during the build process were analysed in order to correlate the cooling rates and apparent surface temperatures with the residual stress results. Optical microscopy and micro computedRapid cooling rates and steep temperature gradients are characteristic of additively manufactured parts and important factors for the residual stress formation. This study examined the influence of heat accumulation on the distribution of residual stress in two prisms produced by Laser Powder Bed Fusion (LPBF) of austenitic stainless steel 316L. The layers of the prisms were exposed using two different border fill scan strategies: one scanned from the centre to the perimeter and the other from the perimeter to the centre. The goal was to reveal the effect of different heat inputs on samples featuring the same solidification shrinkage. Residual stress was characterised in one plane perpendicular to the building direction at the mid height using Neutron and Lab X-ray diffraction. Thermography data obtained during the build process were analysed in order to correlate the cooling rates and apparent surface temperatures with the residual stress results. Optical microscopy and micro computed tomography were used to correlate defect populations with the residual stress distribution. The two scanning strategies led to residual stress distributions that were typical for additively manufactured components: compressive stresses in the bulk and tensile stresses at the surface. However, due to the different heat accumulation, the maximum residual stress levels differed. We concluded that solidification shrinkage plays a major role in determining the shape of the residual stress distribution, while the temperature gradient mechanism appears to determine the magnitude of peak residual stresses.zeige mehrzeige weniger

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Autor*innen:Alexander Ulbricht, Simon AltenburgORCiD, Maximilian SprengelORCiD, Konstantin Sommer, Gunther Mohr, Tobias FritschORCiD, Tatiana MishurovaORCiD, Itziar Serrano MunozORCiD, Alexander Evans, M. Hofmann, Giovanni BrunoORCiD
Dokumenttyp:Zeitschriftenartikel
Veröffentlichungsform:Verlagsliteratur
Sprache:Englisch
Titel des übergeordneten Werkes (Englisch):Metals
Jahr der Erstveröffentlichung:2020
Organisationseinheit der BAM:5 Werkstofftechnik
5 Werkstofftechnik / 5.1 Mikrostruktur Design und Degradation
8 Zerstörungsfreie Prüfung
8 Zerstörungsfreie Prüfung / 8.0 Abteilungsleitung und andere
8 Zerstörungsfreie Prüfung / 8.5 Röntgenbildgebung
9 Komponentensicherheit
9 Komponentensicherheit / 9.3 Schweißtechnische Fertigungsverfahren
9 Komponentensicherheit / 9.4 Integrität von Schweißverbindungen
Veröffentlichende Institution:Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Verlag:MDPI
Verlagsort:Basel
Jahrgang/Band:10
Ausgabe/Heft:9
DDC-Klassifikation:Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Ingenieurwissenschaften / Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Freie Schlagwörter:AISI 316L; Additive Manufacturing; Computed Tomography; LPBF; Laser Powder Bed Fusion; Neutron Diffraction; Online Process Monitoring; Residual Stress; Thermography; X-ray Diffraction
Themenfelder/Aktivitätsfelder der BAM:Material
Material / Additive Fertigung
Material / Degradation von Werkstoffen
DOI:10.3390/met10091234
URN:urn:nbn:de:kobv:b43-512903
Verfügbarkeit des Dokuments:Datei für die Öffentlichkeit verfügbar ("Open Access")
Lizenz (Deutsch):License LogoCreative Commons - CC BY - Namensnennung 4.0 International
Datum der Freischaltung:23.09.2020
Referierte Publikation:Ja
Datum der Eintragung als referierte Publikation:05.11.2020
Schriftenreihen ohne Nummerierung:Wissenschaftliche Artikel der BAM
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