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- 4 Material und Umwelt (440)
- 3 Gefahrgutumschließungen; Energiespeicher (426)
- 9.4 Integrität von Schweißverbindungen (355)
- 7.6 Korrosion und Korrosionsschutz (352)
The hydrogen economy is one of the main solutions for achieving climate neutrality in Europe. Metallic materials, predominantly steels, are the most common structural materials in the various components along the hydrogen supply chain. Ensuring their sustainable and safe use in hydrogen technologies is a key factor in the ramp-up of the hydrogen economy. This requires extensive materials qualification, however, most of the accepted, and standardised test methods for determining the influence of gaseous hydrogen on metallic materials describe complex and costly procedures that are only available to a very limited extent worldwide (e.g., autoclave technique).
The hollow specimen technique is presented as an alternative method that can overcome the limitations of current techniques and complement them. To standardise the technique, a process has been initiated by ISO in 2021. Knowledge gaps for tests with the technique in hydrogen have been identified by DIN. The H2HohlZug project, which falls under the umbrella of TransHyDE, aims to address the identified knowledge gaps and provide a foundation for a comprehensive standardisation of the hollow specimen technique.
Im Rahmen des 2. BAM-Akademie Info-Tages "Nano or not Nano" wurde die OECD TG 124 "Volume Specific Surface Area of Manufactured Nanomaterials" vorgestellt. Der Vortrag beschreibt detailliert das Messverfahren der He-Gaspyknometrie zur Bestimmung der Skelettdichte von Pulvern und geht auf Anwendbarkeit, Besonderheiten bei Nanopulvern und wichtige Einstellparameter für die Messung ein.
Die Erzeugung rissschließfreier Anrisse in gekerbten bruchmechanischen Proben für anschließende Ermüdungsversuche kann durch eine zyklische Druckbelastung an der Kerbe erfolgen: Bei der Erstbelastung wird eine plastische Verformung an der Kerbspitze erzeugt, welche Zugeigenspannungen und damit eine risstreibende Kraft bei der folgenden zyklischen Druckbelastung hervorruft. Durch das Risswachstum kommt es zu einer Entspannung, bis der Riss schließlich arretiert, weil die effektive risstreibende Kraft auf den Schwellenwert abgesunken ist. Um Kurzrisswachstum in additiv, mittels pulverbettbasiertem Laserstrahlschmelzen (Laser Powder Bed Fusion - LPBF) gefertigtem AISI 316L Stahl und seinem konventionell erzeugten, warmgewalzten Pendant zu untersuchen, wurde dieses Verfahren im Rahmen der vorliegenden Arbeit genutzt. Im Falle des additiv gefertigten Materials kam es zu unerwartet langem Ermüdungsrisswachstum, bevor der Riss arretierte. Zur Ermittlung der Ursache erfolgte eine Messung der Eigenspannungsverteilungen mittels Neutronendiffraktion in der Kerbebene der additiv gefertigten Proben. Anschließend wurde ein Finite-Elemente-Modell zur Simulation des Ermüdungsrisswachstums in konventionellem und additiv gefertigtem Material implementiert. Im Rahmen dieses Vortrages wird insbesondere auf das Vorgehen bei der Simulation und auf die getroffenen Annahmen und Vereinfachungen eingegangen. Die Resultate werden mit den experimentellen Ergebnissen verglichen und das für die Simulation von Risswachstum genutzte Knoten-Freigabe-Verfahren (Node-Release), das Einbringen von Eigenspannungen als initiale Spannungen in der Simulation, und die Rechengrößen zur Quantifizierung der risstreibenden Kraft kritisch diskutiert.
Korrosionsprüfung
(2024)
Der Vortrag gibt einen Überblick über gängige Korrosionsversuche. Die wesentlichen Unterschiede zwischen Prüf- und Untersuchungsverfahren, deren jeweilige Zielstellung, Aussagefähigkeit und Grenzen werden aufgezeigt. Es werden ausgewählte Auslagerungsversuche, Kammerprüfungen sowie elektrochemische Messmethoden zur Bestimmung der Korrosionsbeständigkeit vorgestellt. Anhand praktischer Beispiele werden ausgewählte Ergebnisse der einzelner Methoden vorgestellt und diskutiert.
Einführungsvortrag im Rahmen der Veranstaltung der BAM-Akademie zur Anwendung der OECD TG 124 "Volume Specific Surface Area of Manufactured Nanomaterials" zu Herausforderungen bei der Granulometrie von Nanopulvern. Es werden die Einflüsse von Partikelform, Breite der Partikelgrößenverteilung und Agglomeration/ Aggregation auf das Messergebnis sowie die Vergleichbarkeit der Ergebnisse verschiedener Messverfahren dargelegt.
Übersichtsvortrag zu Korrosionsarten, die bei nichtrostenden Stählen unter verschiedenen Einsatzbedingungen auftreten können. Die Grundlagen zur Pasivität und der örtlichen Störung der Passivität werden im Zusammenspiel komplexer Einflussfaktoren des Korrosionssystems herausgestellt. Die erarbeiteten theoretischen Grundlagen werden anhand praktischer Beispiel für alle relevanten Korrosionsarten vertieft.
Der Vortrag behandelt den Stand der Technik bei der zerstörungsfreien Prüfung von Betonkonstruktionen und insbesondere den Stand und die Herausforderungen bei der Digitalisierung. Es werden Prüfaufgaben sowie etablierte Prüfmethoden und die passende Auswahl diskutiert. Ein weitere Schwerpunkt liegt bei der Genauigkeit und Verlässlichkeit und dem Konzept ZfPStatik. Abschließend werden Schnittstellen zu BIM, SIB-Bauwerke und anderen System kurz angerissen und ein Katalog offener Fragen aufgestellt.
Bonds and local atomic environments are crucial descriptors of material properties. They have been used to create design rules and heuristics and as features in machine learning of materials properties. Implementations and algorithms (e.g., ChemEnv and LobsterEnv) for identifying local atomic environments based on geometrical characteristics and quantum-chemical bonding analysis are nowadays available. Fully automatic workflows and analysis tools have been developed to use quantum-chemical bonding analysis on a large scale. The lecture will demonstrate how our tools, that assess local atomic environments and perform automatic bonding analysis, help to develop new machine learning models and a new intuitive understanding of materials.[5,6] Furthermore, the general trend toward automation in density functional-based materials science and some of our recent contributions will be discussed.
Sunlight is an almost unavoidable environmental cue and plays a fundamental role in the biology of pro- and eukaryotic organisms. To cope with sunlight-associated stresses e.g., high temperatures, UV radiation, accumulation of reactive oxygen species, desiccation, and osmotic stress, it is important for organisms to accurately sense and respond to changes in light. The benefits of light are obvious for green organisms such as cyanobacteria, algae and plants which use light as an energy source (photosynthesis). Fungi that can share light-flooded habitats with phototrophs may profit from their excess photosynthetic products. Examples are the plant pathogen Botrytis cinerea, the gray mold fungus, and the rock inhabitant Knufia petricola, a microcolonial black fungus which forms multispecies biofilms with bacteria and algae.
Highly unrelaxed structural states of metallic glasses have often advantageous mechanical properties. Since metallic glasses continuously relax with time (age) or inherently are well relaxed after processing, methods to uniformly rejuvenate the material are needed. One approach that has received attention is the so-called cryogenic-cycling method, during which a metallic glass is repeatedly immersed into liquid nitrogen. In some cases, cryogenic cycling is truly efficient in increasing the stored excess enthalpy of metallic glasses, but it does not seem to be universally applicable to all alloys and structural states. The origins for these differences remain unclear due to our limited understanding of the underlying structural evolution. In order to shed more light onto the fundamental structural processes of cryogenic cycling, we pursue in-situ x-ray photon correlation spectroscopy (XPCS) to trace the atomic-scale structural dynamics of a Zr-based metallic glass in two different structural states (ribbon and bulk metallic glass). This method allows calculating the relaxation times as a function of time throughout the thermal cycling. It is found that the investigated glasses exhibit heterogeneous structural dynamics at 300 K, which changes to monotonic aging at 78 K. Cryogenic cycling homogenizes the relaxation time distribution for both structural states. This effect is much more pronounced in the ribbon, which is the only structural state that rejuvenates upon cycling. We furthermore reveal how fast atomic-scale dynamics is correlated with long-time average structural relaxation times irrespective of the state, and that the ribbon exhibits unexpected additional fast atomic-scale relaxation in comparison to the plate material. Overall, a picture emerges that points towards heterogeneities in fictive temperature as a requirement for cryogenic energy storage.
This presentation discusses the potentials of probabilistic methods in offshore foundation installation, from the perspective of probabilistic ground models and data-driven site characterization. We discuss about methodologies for utilizing site-specific geotechnical (CPT) and geological data, aiming to construct an integrated ground model that can predict stratigraphic profiles and useful for geotechnical design parameters at any location within a 3D domain. The predicted parameters and stratigraphy are then used to predict the probability of potential pile tip damage, upon collision with a boulder.
Korrosion und Korrosionsschutzverfahren: Teil 1 Grundlagern der Korrosion metallener Werkstoffe
(2024)
Der Übersichtsvortrag vermittelt Kenntnisse zu den Grundlagen der Korrosion metallischer Werkstoffe für das KKS Grundlagenseminar für erdverlegte Anlagen und Stahlbetonbau zur Vorbereitung auf die Zertifikatsprüfung DIN EN 15257. Diese Kenntnisse bilden die Grundlage zum Verständnis der Beeinflussung von Korrosionssystemen durch die Anwendung kathodischer Schutzmaßnahme
Der Vortrag thematisiert die Grundlagen des Korrosionsschutzes. Dieser kann planungs-,werkstoff oder mediumsseitig erfolgen oder mit elektrochemischen Methoden umgesetzt werden. Der Vortrag beschreit die Korrosivitäten der Atmosphären und welche Maßnahmen für den Korrosionsschutz daraus abgeleitet werden können.
Forschungsvorhaben RUNOFF
(2024)
Offshore wind energy plays an important role for the desired transition towards a carbon dioxide free industry within the next decades. However, the grounding of the offshore wind plants governs the overall installation process besides bureaucratic bottlenecks.
The application of lightweight principles in steel construction, e.g. the usage dissolved load-bearing structures, so called Jackets foundations, offer great potential in reducing the resource consumption, especially with respect to the needed amount of steel.
In this context this paper focuses on a fully digitalization of the welding manufacturing and as well as testing chain to enable a fully automated manufacturing as well as quality assessment of tubular nodes as key element of Jackets foundation structures. Furthermore, the relationship between the seam shape geometry and resulting fatigue strength is evaluated by numerical methods incorporating bionic principles. It is shown that tubular nodes can be welded fully automatically taking geometry tolerances into account. Moreover, the seam shape could be manufactured as requested by the numerical models which offers great potential for an extended lifetime. Subsequently, the improvements in resource efficiency and reduction of carbon dioxide emissions are evaluated by a life-cycle-assessment.
Direct energy deposition additive manufacturing technologies utilizing an electric arc offer a great potential in generating large volume metal components. However, the selection of process parameters that yield the desired near net shape design as well as the requested mechanical component behavior is not a trivial task due to the complex relationship. Exemplarily for additive manufacturing of high-strength precipitation hardening AlMgSi-aluminum alloy this paper shows the application of a newly developed matching solid welding wire doped with TiB as grain refiner. The correlation between process parameters and component quality is examined analyzing the size and distribution of pores as well as the grain morphology. Furthermore, the influences of different post-weld heat treatments are evaluated to meet the reference mechanical properties of the corresponding wrought material. Finally, the digital integration of the entire additive manufacturing chain enables an overall traceability of the relevant process steps which is the basis for a reliable subsequent quality assessment.
In manufacturing, fusion welding processes use a lot of resources, which presents an opportunity to reduce environmental impact. While there is a general understanding of the environmental impact of these processes, it is difficult to quantitatively assess key parameters. This study introduces a welding-specific methodology that uses life cycle assessment (LCA) to evaluate the environmental impact of fusion welding technologies. Our approach analyses the main parameters that affect the environmental performance of different welding techniques, including traditional methods and additive manufacturing through the Direct Energy Deposition-Arc (DED-Arc) process. We integrate real-time resource usage data to offer an innovative framework for directly deriving environmental impacts. This research contributes to optimising welding processes by providing a precise and quantifiable measure of their ecological impact, facilitating the advancement of sustainable manufacturing practices.
In industrialised countries more than 80% of the time is spent indoors. Products, such as building materials and furniture, emit volatile organic compounds (VOCs), which are therefore ubiquitous in indoor air. VOC in combination may, under certain environmental and occupational conditions, result in reported sensory irritation and health complaints. Emission concentrations can become further elevated in new or refurbished buildings where the rate of air exchange with fresh ambient air may be limited due to improved energy saving aspects. A healthy indoor environment can be achieved by controlling the sources and by eliminating or limiting the release of harmful substances into the air. One way is to use (building) materials proved to be low emitting. Meanwhile, a worldwide network of professional commercial and non-commercial laboratories performing emission tests for the evaluation of products for interior use has been established. Therefore, comparability of test results must be ensured. A laboratory’s proficiency can be proven by internal and external validation measures that both include the application of suitable emission reference materials (ERM). For the emission test chamber procedure according to EN 16516, no artificial ERM is commercially available. The EU-funded EMPIR project MetrIAQ aims to fill this gap by developing new and improved ERMs. The goal is to obtain a material with a reproducible and temporally constant compound release (less than 10 % variability over 14 days). Two approaches were tested: the impregnation of porous materials with VOC, and the encapsulation of VOC in polymer microcapsules. Impregnation is performed with help of an autoclave and supercritical CO2. The encapsulation is done by interfacial polymerisation on VOC droplets. For both approaches, synthesis and/or material parameters were varied to obtain an optimal ERM. Findings about the optimisation of ERM generation, as well as performance of the best emission reference materials, will be presented.
Die Offshore-Windenergie spielt eine wichtige Rolle beim angestrebten Übergang zu einer emissionsfreien Industrie während der nächsten Jahrzehnte. Allerdings beeinflusst die Gründung der Offshore-Windanlagen den gesamten Installationsprozess. Die Anwendung von Leichtbauprinzipien im Stahlbau, wie beispielsweise die Verwendung von aufgelösten Tragstrukturen, sogenannten Jacket-Fundamenten, bietet ein großes Potenzial zur Reduzierung des Ressourcenverbrauchs, insbesondere im Hinblick auf die benötigte Stahlmenge. Der Vortrag befasst sich daher mit der vollständigen Digitalisierung der schweißtechnischen Fertigungs- und Prüfkette. Ziel ist es, eine vollautomatische Fertigung sowie Qualitätsprüfung von Rohrknoten zu ermöglichen. Diese stellen ein Schlüsselelement von Jacket-Fundamenten dar. Des Weiteren wird der Zusammenhang zwischen der Geometrie der Schweißnaht und der resultierenden Ermüdungsfestigkeit durch numerische Methoden unter Einbeziehung bionischer Prinzipien bewertet. Es wird gezeigt, dass rohrförmige Knoten unter Berücksichtigung von Geometrietoleranzen vollautomatisch geschweißt werden können. Die Schweißnahtform konnte gemäß den numerischen Modellen hergestellt werden, was ein großes Potenzial für eine verlängerte Lebensdauer bietet. Anschließend erfolgt eine Bewertung der Verbesserungen bei der Ressourceneffizienz und der Verringerung des CO2-Fußabdrucks durch ein Life Cycle Assessment.
The principles of (Hard) X-ray photoelectron spectroscopy and some application in the field of (core-shell) nanoparticles will be presented. The presentation should answer hoe to get reliable results. Furthermore, examples of the correlation between physical-chemical measurments and toxicological results are given which are crucial for the risk assessment of nanoparticles.
Life cycle assessment of fusion welding processes considering upstream and downstream process steps
(2023)
In manufacturing, fusion welding processes consume significant resources, presenting a significant opportunity for reducing environmental impact. Although there is a qualitative understanding of the environmental implications of these processes, a quantitative assessment of key parameters remains complex. This study introduces a welding-specific methodology that employs life cycle assessment (LCA) to quantitatively evaluate the environmental footprint of fusion welding technologies. Our approach identifies and analyses the principal parameters affecting the environmental performance of various welding techniques, including traditional joint welding and additive manufacturing via the Direct Energy Deposition-Arc (DED-Arc) process. Real-time resource usage data is integrated to offer an innovative framework for directly deriving environmental impacts. This research contributes to optimising welding processes by providing a precise and quantifiable measure of their ecological impact. This facilitates the advancement of sustainable manufacturing practices.
Mit dem Klimawandel verändert sich nicht nur das Wetter, also Regenmengen, Temperaturen oder Starkwind- bzw. Sturmzeiten. Mit diesen Veränderungen gehen auch Veränderungen der örtlichen Korro-siviät der Atmosphäre einher. Sind die Datengrundlagen der aktuellen nationalen und internationalen Normen mit Datenerhebungen aus den 1970igern und 80iger Jahren noch repräsentativ? Hierzu werden an realen Offshorestrukturen valide Daten erfasst, die als Grundlage für KI-basierte Modellbildung verwendet werden sollen.
Im Verbundprojekt R-Rhenania wird eine industrielle Demonstrationsanlage am Standort der Monoverbrennungsanlage Altenstadt der Firma Emter errichtet und im Jahr 2024 den Betrieb aufnehmen. Die vorhandene Rostfeuerung-Monoverbrennung wird so umgebaut, dass ein neues thermochemisches Verfahren integriert werden kann, welches hochwirksame und schadstoffarme Dünger produziert (bis zu 17.000 t/a). Die thermochemischen Produkte werden in Gefäß- und Feldversuchen im ökologischen Landbau auf ihre Düngewirkung getestet. Die Umweltverträglichkeit der Demonstrationsanlage wird untersucht, wie auch die Übertragbarkeit des Verfahrens auf weitere Regionen.
Der Beitrag zeigt die Mechanismen, Voraussetzungen und Einflussgrößen der Bimetallkorrosion wichtiger Werkstoffe im Kontakt mit nichtrostenden Stahl anhand von verschiedenen Beispielen. Darüber hinaus wird das Korrosionsverhalten von nichtrostenden Stahl im Kontakt mit Holz als saurer Baustoff und mit Beton als alkalischer Baustoff beschrieben.
Demonstrationsexperimente
(2024)
The subject of permeation of hoses according to ISO 3821 for
hydrogen was discussed for a long time in ISO/TC 44/SC 8. The reason
is a considerable leakage of hydrogen diffused into the hose material
over the end face of the hose. Because of this unsolved, safety-related
problem of hoses sold on the market, measurements should be carried
out in order to be able to better assess the problem. BAM has declared
its attendance to provide a required fast solution to this issue.
Zur Erweiterung der Anwendungserfahrungen nichtrostender Stähle, insbesondere von Lean-Duplex-Stählen, unter maritimen Einsatzbedingungen, wurden Testracks auf der Umspannplattform OSS des Windparks Hohe See errichtet. Hier wurden neben Standardproben zur Korrosivitätsbestimmung nach ISO 9223 auch mehrere Serien nichtrostender Stahlgüten mit unterschiedlichen Oberflächen, Spaltausbildungen und Verarbeitungszuständen ausgelagert und nun nach 1-jähriger Bewitterungszeit bewertet. In diesem Beitrag werden Oberflächenzustände, Korrosionszustände und Lochtiefen dieser Probekörper gezeigt.
Zur Umsetzung der wasserstoffbasierten Energiewende ist eine zuverlässige Transportinfrastruktur unverzichtbar. Hierfür ist die Nutzung großer Teile des vorhandenen Erdgasnetzes vorgesehen. Im Rahmen von Reparatur- und Wartungsarbeiten ist das Schweißen im Betrieb an Erdgaspipelines Stand der Technik. In Verbindung mit Wasserstoff wirft diese Technik jedoch Fragen der Materialverträglichkeit auf. Das im Vortrag vorgestellte Projekt H2SuD leistet Beiträge zur Aufklärung des Einflusses von Reparaturschweißprozessen auf die Wasserstoffaufnahme und Degradation im Betrieb befindlicher H2 Gasleitungen. Ein Schwerpunkt des Vortrages liegt auf der im Projekt erarbeiteten Prüfmethode für Modellversuche, mit denen der Einfluss von Schweißen im Betrieb an Pipelines auf die Wasserstoffaufnahme getestet wird. Die Durchführung erster Versuche und dabei erzielte Ergebnisse werden präsentiert.
Climate change and increasing demand for electricity require the use of power electronics based on new wide bandgap (WBG) compound semiconductors. Power electronics devices are used in numerous application areas to control and convert electric energy. These may include generation and distribution of renewable energy for green hydrogen, electrification of transport or 5G communication. WBG electronics have much higher efficiency than the silicon-based ones and can operate at higher power densities, voltages, temperatures and switching frequencies with low energy losses. However, defects in the semiconductors can considerably affect the performance of power electronic devices or make their operation even impossible. The presentation will show the application of spectroscopic and imaging ellipsometry as well as white light interference microscopy for defect characterisation in SiC, GaN and Ga2O3 over a wide wavelength range.
We used parameterized modelling of ellipsometric transfer parameters to determine the dielectric properties of bulk materials and thin layers. Imaging ellipsometry offers more information and is an advanced variant of optical microscopy, combining the lateral resolution of optical microscopy with the extreme sensitivity to surface and interface effects of ellipsometry. Surface topography and morphology of different types of defects were additionally investigated with imaging white light interference microscopy. Modern electronic thin film components require complex surface analysis methodologies and hybrid metrology. Hybrid measurement techniques enable fast and non-destructive traceable characterisation of thin film compound semiconductors as well as accurate detection and identification of defects. This methodical approach leads to a better understanding of the materials themselves and of the defect formation mechanisms during manufacturing.
This work aims to enable highly reproducible manufacturing of compound semiconductor power electronics as well as operation monitoring to ensure failure-safety of electronic systems in power electronic devices.
Bei Geräten und Maschinen zur bestimmungsgemäßen Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen gemäß 2014/34/EU muss in der europäischen Union eine Zündgefahrenbewertung durchgeführt werden. Dabei müssen unter anderem die Gefahren von nichtelektrischen Zündquellen betrachtet werden, zu denen auch die mechanischen Schlagvorgänge gehören.
Bei mechanisch erzeugten Schlag-, Schleif- und Reibvorgängen kommt es infolge des Zusammenstoßes bzw. des Reibens zweier Werkstücke bzw. Bauteile zu einer Umwandlung der kinetischen Energie. Dabei erhöht sich die Temperatur der Werkstoffe an der Kontaktstelle und es kommt unter Umständen zu einem Abtrennvorgang kleiner Partikel erhöhter Temperatur. Sowohl die heißen Kontaktstellen (Zündquelle "heiße Oberflächen") als auch die abgetrennten Partikel (Zündquelle "mechanisch erzeugte Funken") können eine wirksame Zündquelle für ein explosionsfähiges Gasgemisch darstellen.
Zur Festlegung von Grenzwerten wurden in der Norm DIN EN ISO 80079-36:2016 die Gasgemische anhand ihrer Explosionsgruppe klassifiziert und zu jeder Gruppe die maximale Energie des Schlagvorgangs festgelegt, unter derer die Entstehung einer wirksamen Zündquelle als unwahrscheinlich angenommen werden kann.
Ferner finden sich in der TRGS 723 Hinweise zum Umgang mit funkenarmen Werkzeugen im explosionsgefährdeten Bereich.
An overview of personal experience with laser-induced plasma (LIP) will be given. The combination of LIP with laser-induced fluorescence, atomic absorption, Raman spectroscopy and spatial heterodyne spectroscopy for elemental and isotopic analysis will be discussed. Unusual applications of LIP will be covered, such as LIP-based lasers and LIP-based chemical reactors.
This course will provide an introduction to plasma diagnostic techniques. The major focus of the course will be on the discussions of the practical procedures as well as the underlying physical principles for the measurements of plasma fundamental characteristics (e.g., temperatures, thermodynamic properties, and electron number density). Particular emphasis will be placed on inductively coupled plasma–atomic emission spectrometry, but other analytical plasmas will also be used as examples when appropriate. Selected examples on how one can manipulate the operating conditions of the plasma source, based on the results of plasma diagnostic measurements, to improve its performance used for spectrochemical analysis will also be covered. Topics to be covered include thermal equilibrium, line profiles, temperatures, electron densities, excitation processes, micro reactions, pump and probe diagnostics, tomography,
temporal and spatial resolution. Basis of plasma computer modeling will be presented.
Die Material Acceleration Platform der BAM (MAPz@BAM) bündelt unsere Automatisierungs-Expertise auf dem Gebiet der Materialwissenschaft und -prüfung. Wir entwickeln modulare Experimentmodule, automatische Prüf- und Auswerteverfahren und setzen künstliche Intelligenz für eine effiziente und autonome Versuchsplanung, - vorhersage und Datenanalyse ein.
Die Material Acceleration Platform der BAM (MAPz@BAM) bündelt unsere Automatisierungs-Expertise auf dem Gebiet der Materialwissenschaft und -prüfung. Wir entwickeln modulare Experimentmodule, automatische Prüf- und Auswerteverfahren und setzen künstliche Intelligenz für eine effiziente und autonome Versuchsplanung, - vorhersage und Datenanalyse ein.
Die Material Acceleration Platform der BAM (MAPz@BAM) bündelt unsere Automatisierungs-Expertise auf dem Gebiet der Materialwissenschaft und -prüfung. Wir entwickeln modulare Experimentmodule, automatische Prüf- und Auswerteverfahren und setzen künstliche Intelligenz für eine effiziente und autonome Versuchsplanung, - vorhersage und Datenanalyse ein.
Mikrolegierungselemente wie Nb und Ti sind entscheidend für die erwünschte mechanische Festigkeit von vergüteten Feinkornbaustählen mit einer Nennstreckgrenze von ≥ 690 MPa. Aktuelle Spezifikationen geben lediglich Obergrenzen für die chemische Zusammensetzung vor, allerdings können geringfügige Abweichungen erhebliche Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften haben. Die Vorhersage der Schweißbarkeit und Integrität von Schweißverbindungen stellt aufgrund der variierenden Zusammensetzung und Mikrostrukturen Herausforderungen dar. Unerwünschte Effekte wie Erweichung der Wärmeeinflusszone (WEZ) oder Verfestigung können auftreten. Um dies zu untersuchen, wurden verschiedene Mikrolegierungsrouten mit variierenden Ti- und Nb-Gehalten an Laborschmelzen erforscht. Die Basis jeder Route entsprach der üblichen S690QL in Zusammensetzung und Wärmebehandlung. Dreilagenschweißungen wurden mittels Metallaktivgasschweißens (MAG) durchgeführt, um kritische Gefügebereiche zu identifizieren. Die Analyse konzentrierte sich auf Phasenumwandlungen während der Abkühlung und metallurgisches Ausscheidungsverhalten. Die mechanischen Eigenschaften der Schweißnähte wurden durch Zugversuche ermittelt. Die Ergebnisse zeigen einen bedeutenden Einfluss der Mikrolegierungsroute und Schweißwärmezufuhr auf die Ausscheidungskinetik, trotz insgesamt guter Schweißbarkeit der Werkstoffe.
Die Laserbearbeitung von Materialien mit ultrakurzen Laserpulsen kann zu einer sekundären Emission gefährlicher Röntgenstrahlen führen. Dieser Effekt wurde bisher bei der Bearbeitung von technischen Materialien wie Metallen beobachtet. Die Röntgenemission bei der abtragenden Bearbeitung von biologischen Geweben ist noch weitgehend unerforscht. Der Vortrag präsentiert erste Untersuchungen und Ergebnisse des radiologischen Gefährdungspotentials bei der medizinischen Anwendung von Ultrakurzpulslasern am Menschen.
The efficient exploration of novel alloy compositions is crucial for advancing the development of new materials. One widely utilized approach for creating phase diagrams is the use of diffusion-controlled synthesis for gradient alloys. This method is also an effective means for rapidly identifying potential material combinations.
The present study focusses on the exploration of quaternary multi-principle-element alloys (MPEAs) using diffusion multiples. We established a diffusion system by combining an equimolar ternary alloy (FeNiCr) with single diffusing elements Mn and Mo. Using ThermoCalc simulations, we determined suitable temperature ranges where we can expect the formation of single-phase alloys. Depending on the diffusion constants of the selected metals, diffusion times were adjusted to obtain diffusion zones with a depth of greater than 50 μm. Microstructural and compositional information was gathered via scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) and correlated to local mechanical properties evaluated by means of nanoindentation. Local corrosion properties were examined using Atomic Force Microscopy (AFM) and Scanning Electrochemical Microscopy (SECM).
Our results indicate that the ThermoCalc simulations have a good predictive power for crystallographic phases. However, especially with the Mn-FeNiCr system, formation of Cr-rich secondary phases were observed, which led to Cr-depletion and thus to localized corrosion processes in the matrix at the vicinity of the secondary phases. Based on the results of the local electrochemical tests, we have selected single-phase compositions along the diffusion zone and synthesized these alloys in bulk for corrosion studies by means of potentiodynamic polarization and SECM.
The presentation will summarize our methodology using diffusion couples as an
efficient tool for exploring compositional spaces of MPEAs in the search for novel single-phase alloys and the results of our correlative study on the mechanical and corrosion properties of these materials.
The efficient exploration of novel alloy chemistries is crucial for advancing the development of new materials. Diffusion-controlled synthesis of gradient alloys is an intelligent approach for creating phase diagrams and to effectively identify potential material combinations with tailored properties.
This project focusses on the design of quaternary multi-principle-element alloys (MPEAs) using diffusion couples. Our diffusion system contains an equimolar ternary alloy (FeNiCr) and additional single diffusing elements e.g. Mn and Mo. We determined the optimal temperature ranges for the diffusion thermal treatment by means of ThermoCalc simulations with the aim to form single-phase MPEAs. Microstructure and chemical characterization of the diffusion couples were performed by means of scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX). For most alloy couples, the diffusion zone contained a single-phase alloy matrix with diffusion-induced compositional gradient as well as precipitation phases. This heterogeneity makes the diffusion couples interesting materials to investigate local mechanical and corrosion properties. Thus, local corrosion properties were examined using Atomic Force Microscopy (AFM) and Scanning Electrochemical Microscopy (SECM). Nanoindentation was used for the analysis of local mechanical properties.
Based on the results of the local corrosion analysis, we have selected single-phase alloy chemistries along the diffusion zone and reproducibly synthesized these alloys in bulk for detailed corrosion studies by means of potentiodynamic polarization and SECM.
The presentation will briefly summarize our methodology and motivation for using diffusion couples as an efficient tool for exploring phase diagrams of MPEAs in the search for new alloy chemistries and the results of our correlative study on the mechanical and corrosion properties of these materials.
Old materials, new life: Using diffusion-controlled synthesis for discovery of novel alloy systems
(2023)
Multi principal element alloy (MPEAs) concept allows us to rethink how we develop application-tailored, sustainable materials. The vast composition space leads to nearly indefinite material combinations and will facilitate finding Pareto optimal materials with lower CO2 footprint and avoidance of critical minerals as design criteria. To probe this large compositional space efficiently, the use high-throughput screening methods is inevitable. Diffusion-controlled synthesis of gradient materials is the optimal technique for screening complex compositional materials that would otherwise require comprehensive modelling or experimental efforts.
In this study, we have used a series of diffusion couples of pure metals and alloys with the aim to create a materials library with correlated data on composition and microstructure. With future recycling prospects in mind, and possible applications of Cu containing alloys in electrocatalytic carbon dioxide reduction and antimicrobial alloys we have generated diffusion couples of brass (Cu63Zn37) and bronze (Cu89Sn11) with either pure metals (Fe, Ni, etc.) or with binary or ternary alloys (FeNi, FeNiCr etc.). For different diffusion times and temperatures, we calculated diffusion constants for the material combinations. Following a detailed characterisation of the gradient materials, we have investigated general and local corrosion properties, electrocatalytic activity for oxygen evolution reaction (OER) and carbon dioxide reduction reaction (CRR) as well as mechanical properties (hardness, elastic modulus) on single-phase alloys synthesized in bulk by means of vacuum arc-melting based on the selected local compositions.
In most cases, due to the short diffusion times, the contact between the diffusion couples lead to two separate diffusion zones and thus, different alloy families on both sides. Especially with ternary alloys, interesting selective diffusion processes and unexpected repulsion effects were observed. The presentation will provide an overview of the gradient materials with a focus on the functional properties of single-phase alloy families derived from them.
Due to their favorable mechanical and anti-corrosion properties, medium entropy alloys (MEA) are of high academic and industrial interest as novel materials for engineering and catalytic applications. Previous studies on general corrosion behavior indicate high current densities at high anodic potentials for MEAs. Further investigations of the underlying transpassive dissolution and local corrosion behavior remain scarce.
To understand the passivation behavior of MEAs CrCoNi and FeCrNi at high anodic potentials, the mechanisms of transpassive dissolution and the oxygen evolution reaction were investigated in this project. Scanning electrochemical microscopy (SECM) was applied in the interrogative mode for the detection of evolving metal species and oxygen. By means of ICP-MS analysis, dissolved metal species were quantified to provide a fundamental understanding on the transpassive dissolution. As the oxygen evolution reaction (OER) may contribute a large percentile to the observed current at high anodic potentials, SECM measurements were employed to analyze the onset of the OER. Potentiodynamic, potentiostatic and chronoamperometric techniques as well as different electrolytes were used to induce precisely controlled corrosion loads during the SECM experiments and for the ICP-MS analysis. Macroscopic corrosion properties of the alloys, electrical and chemical properties of the passive films were studied by means of potentiodynamic polarization, electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), respectively.
Finally, the analysis of the corrosion morphology and the potential of the surface before, during and after passivity breakdown was carried out by means of in-situ atomic force microscopy (AFM) and scanning Kelvin probe force microscopy (SKPFM). The presentation will summarize our results on the interplay of anodic passivation and oxygen evolution of MEAs in aqueous NaCl electrolytes.
The high-throughput synthesis and characterization of potential material combinations plays an important role in accelerating the development of new materials. Diffusion controlled synthesis of gradient alloys is widely used to create phase diagrams, and it is also one of the most effective combinatorial approaches for rapid realization of potential material combinations.
This study focuses on the synthesis and investigation of the quaternary multi-principle-element alloy (MPEA) FeNiCrMn by means of diffusion multiples, the correlation of their microstructural and chemical characterization data with their application relevant properties like local mechanical and corrosion properties. A diffusion system was set up by combining an equimolar ternary alloy (FeNiCr) with a single diffusing metallic component (Mn) with the highest interdiffusion coefficient. Scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) were used to collect microstructural and compositional information which were correlated to local mechanical properties studied with nanoindentation. Local corrosion properties were investigated by means of Atomic Force Microscopy (AFM) and Scanning Electrochemical Microscopy (SECM). We have observed that a >50 μm deep homogeneous diffusion zone was formed the thickness of which scales with the duration of the thermal treatment. Beyond the Mn-concentration gradient in the FeNiCr matrix, a distinct Cr-rich secondary phase, characterized by high hardness and elastic modulus values appeared. We synthesized MPEAs with selected compositions from the diffusion zone as well as the Cr-rich phase as bulk alloys for electrochemical corrosion studies under different environmental conditions. The presentation will summarize the results of our correlative study on the mechanical properties and corrosion resistance of the quaternary multi-principle-element alloy (MPEA) FeNiCrMn family.