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Study on the determination and the assessment of the residual stress in laser powder bed fused stainless steel structures

  • Additive manufacturing processes offer extensive advantages for the design freedom of structures through layer-by-layer production. This enables high weight savings as well as the integration of functions such as cooling channels. This technology thus offers great potential to contribute to a sustainable future. The pioneer among these manufacturing processes is the powder bed fusion of metals with laser beams (PBF-LB/M). This process is characterised by high laser scanning speeds and highly localised heat input, which have a strong effect on the microstructure and thus also on the mechanical properties. For example, the austenitic steel 316L exhibits a cellular structure at the subgrain level. This microstructure feature leads to higher yield strengths and comparable ductility to conventionally processed 316L. In addition to the traditional applications of 316L steel in the petrochemical and nuclear industries, this enables new applications such as medical stents or bipolar plates forAdditive manufacturing processes offer extensive advantages for the design freedom of structures through layer-by-layer production. This enables high weight savings as well as the integration of functions such as cooling channels. This technology thus offers great potential to contribute to a sustainable future. The pioneer among these manufacturing processes is the powder bed fusion of metals with laser beams (PBF-LB/M). This process is characterised by high laser scanning speeds and highly localised heat input, which have a strong effect on the microstructure and thus also on the mechanical properties. For example, the austenitic steel 316L exhibits a cellular structure at the subgrain level. This microstructure feature leads to higher yield strengths and comparable ductility to conventionally processed 316L. In addition to the traditional applications of 316L steel in the petrochemical and nuclear industries, this enables new applications such as medical stents or bipolar plates for fuel cells with proton exchange membranes. However, the layer-by-layer production with high scanning speeds and localised heat input induces cooling rates in the order of 106 K.s-1. The large temperature gradients and the shrinkage restraints of each weld bead and layer lead to the development of complex residual stress fields. These reduce the material performance and can even lead to premature failure. Thus, the fatigue properties are severely affected by rapid crack growth or prematurely developing cracks. Furthermore, specimens may warp during PBF-LB/M or immediately when the components are separated from the build plate. Therefore, residual stress is one of the main disadvantages of PBF-LB/M, making it difficult for this technology to be more widely accepted in the industry. Based on the current state of the literature, the procedure for determining residual stress employing diffraction methods, the influence of the component geometry, as well as the inter-layertime (ILT) on residual stress and, lastly, suitable heat treatment strategies for relaxing residual stress in PBF-LB/M/316L, were identified as insufficiently researched areas. Determining residual stress is a major challenge. X-ray and neutron diffraction are particularly suitable for filigree structures, which can preferably be produced using PBF-LB/M. Here, the microscopic strain of the lattice planes is used to calculate the macroscopic residual stress. These methods are nondestructive and allow the spatial resolution of the bi-axial and tri-axial residual stress. In the present work, in-situ neutron diffraction tensile tests were performed to analyse the micromechanical behaviour of PBF-LB/M/316L. The suitability of the lattice planes for calculating the macroscopic residual stress was investigated. The (311) lattice plane was found to be the best option for determining the macroscopic residual stress in PBF-LB/M/316L. Furthermore, it was shown that the Kröner model can be used to calculate the X-ray diffraction constants despite the texture. Currently, both aspects are common practices in the determination of residual stress. The results presented here support the validity of this approach and increase the confidence in the experimentally determined residual stress, which has a positive effect on the assessment of quality concerning the safety of a component manufactured by PBF-LB/M. The geometry of a structure manufactured by PBF-LB/M determines the component stiffness and influences the thermal gradients during manufacture and ultimately the residual stress. The effect of smaller or larger dimensions (larger than 10 mm) on the residual stress is rarely considered. To investigate this aspect, representative test specimens with different thicknesses and lengths were produced. Hence, the influence of the geometry i.e., component stiffness on the residual stress was evaluated. The residual stress was determined using X-ray and neutron diffraction. The analysis of the residual stress showed that an increase in thickness leads to overall higher residual stress. In addition, it was shown that increasing the sample dimension leads to smaller residual stress gradients. Above a threshold value of a few millimetres, no significant change in the residual stress was observed. The ILT is inherent in every PBF-LB/M construction job and influences the thermal gradients during production and thus the residual stress. A change in wall thickness in a geometrically complex structure or a variation in the number of specimens in the construction process leads directly to a change in the ILT. To simulate this, specimens with different ILT were produced. The residual stress was determined by X-ray and neutron diffraction. The use of a short ILT resulted in higher surface residual stress, but lower volume residual stress. Here, the surface residual stress and the residual stress in the volume showed contrary behaviour. This was attributed to the complex heat conduction during the process, as shown by the thermographic measurements. To avoid distortion of the specimens or real components upon separation from the build plate or during post-processing steps, stress relief annealing is usually performed after the PBF-LB/M process. Based on standards for heat treatment of welded austenitic steels, heat treatments were performed at low (450 °C for four hours) and high (800 °C and 900 °C for one hour) temperatures. The results show that the heat treatment at 450 °C relaxed the residual stress by only 5 %. This low relaxation is due to the stability of the cell structures. The high-temperature heat treatment showed that 900 °C is required to dissolve the cell structure and achieve a relaxation of about 85 %. This result is in good agreement with the standards for stress relief annealing of welded austenitic steels.zeige mehrzeige weniger
  • Additive Fertigungsverfahren bieten durch die schichtweise Herstellung weitreichende Vorteile für die Gestaltungsfreiheit von Strukturen und ermöglichen somit hohe Gewichtseinsparungen. Auch die Integration von Funktionen, beispielsweise Kühlkanäle, können unmittelbar während der Herstellung eingebracht werden. Damit bietet diese Technologie ein hohes Potential zu einer nachhaltigen Zukunft beizutragen. Der Vorreiter unter diesen Fertigungsprozessen ist das Pulverbettbasierte Schmelzen von Metallen mittels Laserstrahlen (PBF-LB/M). Dieser Prozess zeichnet sich durch hohe Laserscangeschwindigkeiten und eine stark lokalisierte Wärmeeinbringung aus, welche sich auf die Mikrostruktur und damit auch auf die mechanischen Eigenschaften auswirken. So weist der austenitische Stahl 316L eine zelluläre Struktur auf Subkornniveau auf, welche zu höheren Streckgrenzen jedoch nicht verringerter Duktilität im Vergleich zu konventionell verarbeitetem 316L führt. Dies ermöglicht, neben denAdditive Fertigungsverfahren bieten durch die schichtweise Herstellung weitreichende Vorteile für die Gestaltungsfreiheit von Strukturen und ermöglichen somit hohe Gewichtseinsparungen. Auch die Integration von Funktionen, beispielsweise Kühlkanäle, können unmittelbar während der Herstellung eingebracht werden. Damit bietet diese Technologie ein hohes Potential zu einer nachhaltigen Zukunft beizutragen. Der Vorreiter unter diesen Fertigungsprozessen ist das Pulverbettbasierte Schmelzen von Metallen mittels Laserstrahlen (PBF-LB/M). Dieser Prozess zeichnet sich durch hohe Laserscangeschwindigkeiten und eine stark lokalisierte Wärmeeinbringung aus, welche sich auf die Mikrostruktur und damit auch auf die mechanischen Eigenschaften auswirken. So weist der austenitische Stahl 316L eine zelluläre Struktur auf Subkornniveau auf, welche zu höheren Streckgrenzen jedoch nicht verringerter Duktilität im Vergleich zu konventionell verarbeitetem 316L führt. Dies ermöglicht, neben den traditionellen Einsatzgebieten des Stahls 316L in der petrochemischen und nuklearen Industrie, neue Anwendungen wie medizinische Stents oder Bipolarplatten für Brennstoffzellen mit Protonenaustauschmembran. Die schichtweise Fertigung mit hohen Scangeschwindigkeiten und lokaler Wärmeeinbringung bedingt jedoch Abkühlraten in der Größenordnung von 106 K.s-1. Die hohen Temperaturgradienten im Zusammenspiel mit den Schrumpfbehinderungen jeder Schweißraupe und Lage sorgen für die Entstehung komplexer Eigenspannungsfelder. Diese verringern die Beanspruchbarkeit des Materials und können sogar zu einem vorläufigen Versagen führen. So sind die Ermüdungseigenschaften durch ein rapides Risswachstum bzw. ein vorzeitig entstehender Riss durch Eigenspannungen stark beeinträchtigt. Des Weiteren kommt es vor, dass sich die Proben während des PBF-LB/M oder unmittelbar bei der Trennung der Bauteile von der Bauplatte verziehen. Daher sind die Eigenspannungen eines der Hauptnachteile des PBF-LB/M, die eine breitere Akzeptanz dieses Verfahrens in der Industrie erschweren. Ausgehend vom aktuellen Literaturstand, wurde die Vorgehensweise bei der Bestimmung der Eigenspannungen mittels Beugungsmethoden, der Einfluss der Bauteilgeometrie bzw. Bauteilsteifigkeit sowie der Zwischenlagenzeit auf die Eigenspannungen und zuletzt geeignete Wärmebehandlungsstrategien zur Relaxation der Eigenspannungen in PBF-LB/M/316L als unzureichend erforschte Bereiche identifiziert. Die Bestimmung der Eigenspannung ist eine große Herausforderung. Insbesondere bei filigranen Strukturen, welche vorzugsweise mittels PBF-LB/M hergestellt werden können, eignen sich die Röntgen- und Neutronenbeugung. Hierbei wird die mikroskopische Dehnung der Gitterebenen zur Berechnung der makroskopischen Eigenspannung verwendet. Diese Methoden sind zerstörungsfrei und ermöglichen die räumliche Auflösung der bi-axialen und tri-axialen Eigenspannungen. In der vorliegenden Arbeit wurden in-situ Neutronenbeugungszugversuche durchgeführt, um das mikromechanische Verhalten des PBF-LB/M/316L zu analysieren. Die Eignung der Gitterebenen zur Berechnung der makroskopischen Eigenspannung wurde untersucht. Die (311) Gitterebene erwies sich als die beste Option für die Bestimmung der makroskopischen Eigenspannung in PBF-LB/M/316L. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass das Kröner-Modell trotz Textur zur Berechnung der Röntgenbeugungskonstanten verwendet werden kann. Derzeit werden beide Aspekte in der Bestimmung der Eigenspannungen standardmäßig angewandt. Die hier präsentierten Ergebnisse untermauern die Gültigkeit dieses Vorgehens und erhöhen das Vertrauen in den experimentell bestimmten Eigenspannungen, welches sich positiv auf die Beurteilung der Qualität hinsichtlich der Sicherheit eines durch PBF-LB/M gefertigten Bauteils auswirkt. Die Geometrie einer durch PBF-LB/M hergestellten Struktur bestimmt maßgeblich die Bauteilsteifigkeit und beeinflusst die thermischen Gradienten während der Herstellung und letztendlich die Eigenspannungen. Die Auswirkung kleinerer oder größerer Abmessungen (größer 10 mm) auf die Eigenspannungen wird derzeit oft nicht berücksichtigt. Um diesen Aspekt zu untersuchen, wurden repräsentative Probekörper mit unterschiedlichen Dicken und Längen hergestellt. Damit konnte der Einfluss der Geometrie bzw. Bauteilsteifigkeit auf die Eigenspannungen gezielt bewertet werden. Die Eigenspannungen wurden mittels Röntgen- als auch Neutronenbeugung bestimmt. Die Analyse der Eigenspannungen ergab, dass eine Erhöhung der Dicke zu insgesamt höheren Eigenspannungen führt. Zusätzlich wurde gezeigt, dass eine Vergrößerung der Probenabmessung zu kleineren Eigenspannungsgradienten führt. Oberhalb eines Schwellenwerts von wenigen Millimetern ändern sich die Eigenspannungen nicht mehr signifikant. Die sogenannte Zwischenlagenzeit (ILT) ist jedem PBF-LB/M-Bauauftrag inhärent und beeinflusst die thermischen Gradienten während der Herstellung und damit maßgeblich die Eigenspannungen. Ein Wanddickensprung in einer geometrisch komplexen Struktur bzw. einer Variation der Probenanzahl im Bauprozess führt unmittelbar zu einer Änderung der ILT. Um dies nachzubilden, wurden Proben mit unterschiedlichen ILT hergestellt. Die Eigenspannungen wurden mittels Röntgen- und Neutronenbeugung bestimmt. Die Verwendung einer kurzen ILT hat zu höheren Oberflächeneigenspannungen geführt, jedoch zu geringeren Volumeneigenspannungen. Hierbei zeigten die Oberflächeneigenspannungen und die Eigenspannungen im Volumen ein konträres Verhalten. Dies wurde auf die komplexe Wärmeleitung während des Prozesses zurückgeführt, wie die thermografischen Messungen zeigten. Um den Verzug der hergestellten Probekörper oder realen Bauteile bei der Abtrennung der Bauplatte oder in Nachbearbeitungsschritten zu vermeiden, wird in der Regel ein Spannungsarmglühen nach dem PBF-LB/M Prozess durchgeführt. Basierend auf Standards für die Wärmebehandlung von geschweißten austenitischen Stählen, wurden Wärmebehandlungen bei niedrigen (450 °C für vier Stunden) und hohen (800 °C bzw. 900 °C für eine Stunde) Temperaturen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Wärmebehandlung bei 450 °C die Eigenspannungen um lediglich 5 % relaxierte. Diese geringe Relaxation ist auf die Stabilität der Zellstrukturen zurückzuführen. Die Hochtemperatur-Wärmebehandlung zeigte, dass 900 °C erforderlich sind, um die Zellstruktur aufzulösen und eine Relaxation von etwa 85 % zu erreichen. Dieses Ergebnis steht in guter Übereinstimmung mit den Standards für das Spannungsarmglühen geschweißter austenitischer Stähle.zeige mehrzeige weniger

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Autor*innen:Maximilian Franz-Arthur Sprengel
Dokumenttyp:Dissertation
Veröffentlichungsform:Eigenverlag BAM
Schriftenreihe (Bandnummer):BAM Dissertationsreihe (173)
Sprache:Englisch
Titel des übergeordneten Werkes (Englisch):BAM-Dissertationsreihe
Jahr der Erstveröffentlichung:2023
Organisationseinheit der BAM:9 Komponentensicherheit
9 Komponentensicherheit / 9.4 Integrität von Schweißverbindungen
Veröffentlichende Institution:Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Titel verleihende Institution:Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Fakultät für Maschinenbau
Gutachter*innen:Thomas KannengießerORCiD, U. Reisgen
Datum der Abschlussprüfung:29.03.2023
Verlag:Eigenverlag
Verlagsort:Berlin
Jahrgang/Band:173
Erste Seite:1
Letzte Seite:256
DDC-Klassifikation:Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Ingenieurwissenschaften / Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Freie Schlagwörter:Austenitischer Rostfreier Stahl; Beugung; Eigenspannungen; Pulverbettbasiertes Laserstrahlschmelzen; Wärmbehandlung
Austenitic Stainless Steel; Diffraction; Heat Treatment; Powder Bed Fusion of Metals with Laser Beams; Residual Stress
Themenfelder/Aktivitätsfelder der BAM:Material
URN:urn:nbn:de:kobv:b43-579802
ISSN:1613-4249
Verfügbarkeit des Dokuments:Datei für die Öffentlichkeit verfügbar ("Open Access")
Lizenz (Deutsch):License LogoCreative Commons - CC BY - Namensnennung 4.0 International
Datum der Freischaltung:26.07.2023
Referierte Publikation:Nein
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