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Mechanisches Verhalten von additiv gefertigtem nichtrostendem Stahl X2CrNiMo17-12-2 (AISI 316L) und Vergleich zur konventionell gefertigten Variante

Mechanical behavior of additively manufactured stainless steel X2CrNiMo17-12-2 (AISI 316L) and comparison with a conventionally manufactured variant

  • Die additive Fertigung (AM) metallischer Werkstoffe ist eine Technologie, die zunehmend Gegenstand von Forschungsaktivitäten und industrieller Anwendung ist. Dennoch steht sie noch vor Herausforderungen, um eine breite Nutzung in sicherheitsrelevanten Anwendungen zu erreichen. Die Hauptgründe für die Verzögerung des technologischen Durchbruchs zugunsten von AM-Metallen gegenüber konventionell hergestellten Varianten sind das Fehlen eines tieferen Verständnisses der Prozess-Struktur-Eigenschafts-Beziehungen und die begrenzte Verfügbarkeit von Daten zu den Materialeigenschaften. In diesem Kontext stellt diese Arbeit einen Beitrag sowohl zum Verständnis der Prozess-Struktur-Eigenschafts-Beziehungen als auch zur Verbesserung der Datenlage von 316L dar, einem häufig als Konstruktionswerkstoff in verschiedenen Hochtemperaturbauteilen verwendeten Werkstoff. Die Arbeit legt den Fokus auf die mittels Laser-Pulverbettschmelzen hergestellte Werkstoffvariante, PBF-LB/M/316L. Eine konventionellDie additive Fertigung (AM) metallischer Werkstoffe ist eine Technologie, die zunehmend Gegenstand von Forschungsaktivitäten und industrieller Anwendung ist. Dennoch steht sie noch vor Herausforderungen, um eine breite Nutzung in sicherheitsrelevanten Anwendungen zu erreichen. Die Hauptgründe für die Verzögerung des technologischen Durchbruchs zugunsten von AM-Metallen gegenüber konventionell hergestellten Varianten sind das Fehlen eines tieferen Verständnisses der Prozess-Struktur-Eigenschafts-Beziehungen und die begrenzte Verfügbarkeit von Daten zu den Materialeigenschaften. In diesem Kontext stellt diese Arbeit einen Beitrag sowohl zum Verständnis der Prozess-Struktur-Eigenschafts-Beziehungen als auch zur Verbesserung der Datenlage von 316L dar, einem häufig als Konstruktionswerkstoff in verschiedenen Hochtemperaturbauteilen verwendeten Werkstoff. Die Arbeit legt den Fokus auf die mittels Laser-Pulverbettschmelzen hergestellte Werkstoffvariante, PBF-LB/M/316L. Eine konventionell hergestellte Variante, HR/316L, wurde auch untersucht. Bei PBF-LB/M/316L wurde zusätzlich der Effekt ausgewählter Wärmebehandlungen ausgewertet. Die Untersuchung umfasste die Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften und der Verformungs- und Schädigungsmechanismen bei erhöhten Prüftemperaturen bei LCF und Kriechen, wo die Daten und Wissenslage am spärlichsten ist. Außerdem hat die untersuchte PBF-LB/M/316L-Wersktoffvariante einen geringen Porositätsgrad. Somit hat diese Arbeit die Mikrostruktur stärker in den Fokus genommen als die meisten bisher in der Literatur verfügbaren Studien. Die mechanische Prüfkampagne umfasste Zugversuche zwischen Raumtemperatur und 650 °C, LCF-Versuche zwischen Raumtemperatur und 600 °C sowie Kriechversuche bei 600 °C und 650 °C. In Ermangelung konkreter Richtlinien und Normen wurde die Charakterisierung zumeist anhand der bestehenden internationalen Prüfnormen und Probengeometrien durchgeführt. Aus jedem dieser Prüfverfahren wurden die entsprechenden Festigkeits- und Verformungskennwerte ermittelt. Darüber hinaus wurde mit Hilfe gezielter mikrostruktureller Untersuchungen ein Beitrag zum Verständnis des Zusammenhangs zwischen der Mikrostruktur und den mechanischen Eigenschaften in Bezug auf die Verformungs- und Schädigungsmechanismen geleistet. Die Dehngrenze von PBF-LB/M/316L ist etwa doppelt so hoch wie die von HR/316L und dieser Trend setzt sich mit ansteigender Prüftemperatur fort. Die Bruchdehnung ist bei allen Prüftemperaturen geringer. PBF-LB/M/316L weist über den größten Teil der Ermüdungslebensdauer vor allem bei Raumtemperatur höhere zyklische Spannungen als HR/316L auf. Ausschließlich bei den kleinsten Dehnungs-schwingbreiten sind die Ermüdungslebensdauer ausgeprägt kürzer. Das Wechselverformungsverhalten von PBF-LB/M/316L ist durch eine Anfangsverfestigung gefolgt von einer kontinuierlichen Entfestigung charakterisiert, welche bis zum Auftreten der zum Versagen führenden Entfestigung stattfindet. Die Kriechbruchzeiten und die Dauer jeder Kriechphase sind bei allen Kombinationen von Prüfparametern bei PBF-LB/M/316 kürzer als bei HR/316L. Die Spannungsabhängigkeit von PBF-LB/M/316L ist im Vergleich zu HR/316L geringer und die Duktilität beim Kriechen kleiner. Die minimale Kriechrate wird bei allen geprüften Parameterkombinationen bei deutlich geringeren Kriechdehnungen erreicht. Eine Wärmebehandlung bei 450 °C / 4 h bewirkt keine wesentliche Änderungen der Mikrostruktur und Zugversuchseigenschaften. Eine zusätzliche Wärmebehandlung bei 900 °C / 1 h verursacht eine Abnahme der Dehngrenze des PBF-LB/M/316L. Diese blieb aber immer noch um den Faktor 1,5x höher als bei HR/316L. Die Verformungsmerkmale wurden kaum davon beeinflusst. Bezüglich des Kriechverhaltens hat die Wärmebehandlung bei 900 °C / 1 h längere sekundäre und tertiäre Kriechstadien bewirkt und die Kriechdehnung hat sich signifikant erhöht. Die Bruchbilder unterscheiden sich generell nicht nur aber vor allem mit ansteigender Prüftemperatur, bei der bei PBF-LB/M/316L oft interkristalline Rissbildung beobachtet wurde. Die Zellstruktur trägt als der Hauptfaktor zu den unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften im Vergleich zur HR/316L-Variante bei. Darüber hinaus spielen mutmaßlich die Kornmorphologie, die Stapelfehlerenergie und der Stickstoffgehalt eine Rolle.zeige mehrzeige weniger
  • Metal additive manufacturing (AM) is a technology that is increasingly the subject of research activities and industrial applications. However, it still faces challenges to achieve widespread use in safety-relevant applications. The main reasons for the delay of this technological breakthrough in favor of AM metals over conventionally manufactured variants are the lack of a deeper understanding of process-structure-property relationships and the limited availability of data on material properties. In this context, this work contributes to both achieving a better understanding of process-structure-property relationships and the improvement of data for 316L, an alloy frequently used as a structural material in various high-temperature components. The work focuses on a material variant produced by laser pow-der bed fusion, PBF-LB/M/316L. A conventionally produced variant, HR/316L, was also investigated. For PBF-LB/M/316L, the effect of selected heat treatments was also evaluated. TheMetal additive manufacturing (AM) is a technology that is increasingly the subject of research activities and industrial applications. However, it still faces challenges to achieve widespread use in safety-relevant applications. The main reasons for the delay of this technological breakthrough in favor of AM metals over conventionally manufactured variants are the lack of a deeper understanding of process-structure-property relationships and the limited availability of data on material properties. In this context, this work contributes to both achieving a better understanding of process-structure-property relationships and the improvement of data for 316L, an alloy frequently used as a structural material in various high-temperature components. The work focuses on a material variant produced by laser pow-der bed fusion, PBF-LB/M/316L. A conventionally produced variant, HR/316L, was also investigated. For PBF-LB/M/316L, the effect of selected heat treatments was also evaluated. The investigation included the characterization of the mechanical properties and the related deformation and damage mechanisms at elevated test temperatures in LCF and creep, where data and knowledge are scarce. The PBF-LB/M/316L variant studied has a low degree of porosity. Thus, this work is more focused on the microstructure than most studies available in the literature. The mechanical test campaign included tensile tests between room temperature and 650 °C, LCF tests between room temperature and 600 °C, and creep tests at 600 °C and 650 °C. In the absence of concrete guidelines and standards for testing of AM metals, the characterization mostly took place using existing international test standards and specimen geometries. From each of the test methods, corresponding strength, and deformation characteristic values were determined. In addition, targeted microstructural investigations contributed to understanding the relationship between the microstructure and the mechanical properties in terms of deformation and damage mechanisms. The proof stress of PBF-LB/M/316L is about twice that of HR/316L. This trend remains with increasing test temperature. The elongation after fracture is lower at all test temperatures. Regarding LCF, PBF-LB/M/316L exhibits higher cyclic stresses than HR/316L for most of the fatigue life, especially at room temperature. Exclusively at the smallest strain amplitudes, the fatigue lives of PBF-LB/M/316L are markedly shorter than in HR/316L. The cyclic stress-strain deformation behavior of PBF-LB/M/316L features an initial strain hardening followed by a continuous softening, which occurs until the softening leading to failure takes place. The creep rupture times and the duration of each creep stage are shorter for PBF-LB/M/316 than for HR/316L for all combinations of test parameters. The stress dependence of PBF-LB/M/316L is lower, and the creep ductility is smaller compared to HR/316L. The minimum creep rate is reached at significantly lower creep extensions for all parameter combinations tested. A heat treatment at 450 °C / 4 h did not cause significant changes in the microstructure and tensile behavior. An additional heat treatment at 900 °C / 1 h caused a decrease in the proof stress of PBF-LB/M/316L. However, it still remained higher than the one of HR/316L by a factor of 1.5x. The deformation characteristics were hardly affected. Regarding the creep behavior, this latter heat treatment at 900 °C / 1 h caused longer secondary and tertiary creep stages, and the creep strain increased significantly. The fracture characteristics generally differed, which happened not only but especially with increasing test temperature, where intergranular cracking often took place in PBF-LB/M/316L. The cellular structure is considered the main factor contributing to the different mechanical properties compared to the HR/316L variant. In addition, grain morphology, stacking fault energy, and nitrogen content might play a role.zeige mehrzeige weniger

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Metadaten
Autor*innen:Luis Alexander Ávila CalderónORCiD
Dokumenttyp:Dissertation
Veröffentlichungsform:Graue Literatur
Sprache:Deutsch
Jahr der Erstveröffentlichung:2024
Organisationseinheit der BAM:5 Werkstofftechnik
5 Werkstofftechnik / 5.2 Metallische Hochtemperaturwerkstoffe
Titel verleihende Institution:Technische Universität Berlin, Fakultät III − Prozesswissenschaften
Gutachter*innen:Birgit Skrotzki, Walter Reimers, Jürgen Olbricht
Datum der Abschlussprüfung:19.12.2023
Verlagsort:Berlin
Erste Seite:1
Letzte Seite:190
DDC-Klassifikation:Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Ingenieurwissenschaften / Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Freie Schlagwörter:316L; AGIL; Additive Fertigung; Kriechen; LCF; Laser-Pulverbettschmelzen; Mechanische Eigenschaften; Mikrostrukturentwicklung
Additive Manufacturing; Mechanical Properties; Microstructure
Themenfelder/Aktivitätsfelder der BAM:Material
Material / Additive Fertigung
DOI:10.14279/depositonce-19828
URN:urn:nbn:de:kobv:b43-597143
Verfügbarkeit des Dokuments:Datei für die Öffentlichkeit verfügbar ("Open Access")
Lizenz (Deutsch):License LogoCreative Commons - CC BY - Namensnennung 4.0 International
Datum der Freischaltung:20.03.2024
Referierte Publikation:Nein
Schriftenreihen ohne Nummerierung:BAM Dissertationen ohne Nummerierung
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