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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.
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.
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.
Results of an extended TMF test program on grade P92 steel in the temperature range of 620 °C - 300 °C, comprising in-phase (IP) and out-of-phase (OP) tests, partly performed with symmetric dwells at Tmax/Tmin, are presented. In contrast to previous studies, the low-strain regime is also illuminated, which approaches flexible operation in a power plant with start/stop cycles. At all strain amplitudes, the material performance is characterized by continuous cyclic softening, which is retarded in tests at lower strains but reaches similar magnitudes in the course of testing. In the investigated temperature range, the phase angle does not affect fatigue life in continuous experiments, whereas the IP condition is more detrimental in tests with dwells. Fractographic analyses indicate creep-dominated and fatigue-dominated damage for IP and OP, respectively. Analyses of the (micro)hardness distribution in the tested specimens suggest an enhanced microstructural softening in tests with dwell times for the low- but not for the high-strain regime. To rationalize the obtained fatigue data, the fracture-mechanics-based D_TMF concept, which was developed for TMF life assessment of ductile alloys, was applied. It is found that the D_TMF parameter correlates well with the measured fatigue lives, suggesting that subcritical growth of cracks (with sizes from a few microns to a few millimeters) governs failure in the investigated range of strain amplitudes.
Single crystal superalloys usually contain pores of sizes 5-10 micro-m after casting and heat treatment. These pores can be reduced under compression by combined creep and diffusion in a subsequent treatment called Hot Isostatic Pressing (HIP). The paper presents a methodology to simulate pore shrinkage under HIP conditions in two dimensions (2D).
At the scale of the pores, which is also the scale of the sub-grains (<50 micro-m) the dislocation sources cannot be assumed to be homogeneously distributed. Thus, the applicability of classical crystal plasticity is questionable. In this case, the transport of dislocations under an applied stress from the location where they are nucleated must be explicitly modelled. This is done by solving the transport equations for the dislocation densities and the elasticity equations in 2D. The dislocations are assumed to be nucleated at Low Angle Boundaries. They glide or climb through the sub-grains with a stress dependent velocity.
The transport equations are solved by the Flux-Corrected Transport method, which belongs to the predictor-corrector class of algorithms. In the first step, an artificial diffusion is introduced, which suppresses spurious oscillations of the solution. In a second step, the solution is corrected in such a way that no additional extremes appear and that the extremes do not grow. The algorithm is validated by simulating the transport of simple distributions with a constant velocity field.
With the dislocation velocities and the computed dislocation densities, the inelastic shear rate at the slip system level is computed by integrating the Orowan equation. In the 2D-setting, three slip systems are considered. The contributions of these slip systems are summed up to obtain the total inelastic strain rate. Dislocation glide and climb and the coupling of climb with vacancies diffusion are considered.
The resolution of the equilibrium equations from the inelastic strains turned out to be prone to numerical instabilities. As an alternative, the stresses are directly computed from the distribution of geometrically necessary dislocations following the method presented in. The resulting boundary value problem is solved by the Least-Square Finite Element method.
Examples of simulations are presented for a representative region under creep tension and for a pore shrinking under external pressure.
Single-crystal components made of nickel base superalloys contain pores after casting and homogenization heat treatment. Hot isostatic pressing (HIP), which is carried above the γ' -solvus temperature of the alloy, is industrially applied to reduce porosity. A modeling of HIP based on continuously distributed dislocations is developed in a 2D setting. Glide and climb of straight-edge dislocations, as well as vacancy diffusion, are the deformation mechanisms taken into account.
Thereby, dislocation glide is controlled by dragging a cloud of large atoms, and climb is controlled by vacancy diffusion. Relying on previous investigations of the creep behavior at HIP temperatures, it is assumed that new dislocations are nucleated at low-angle boundaries (LAB) and move through subgrains until they either reach the opposite LABs or react with other dislocations and annihilate.
Vacancies are created at the pore surface and diffuse through the alloy until they are either consumed by climbing dislocations or disappear at the LABs. The field equations are solved by finite elements. It is shown that pore shrinking is mostly controlled by vacancy diffusion as the shear stresses at the LABs are too low to
nucleate a sufficient amount of dislocations.
Es konnte anhand einer numerischen Voruntersuchung gezeigt werden, dass anhand der kombinierten Auswertung der im Versuch verwendeten Sensorik eine Einteilung der unter Ermüdung in Bohrlochproben auftretenden Rissformen in verschiedene Hauptkategorien (Eckriss, Oberflächenriss, Durchgangsriss) möglich ist.
Initially, as-cast and homogenized single crystals of nickel-base superalloy CMSX-4 are subjected to hot isostatic pressing at 1288 °C. Two series of experiments are conducted: under the same pressure of 103 MPa but with different durations, between 0.5 and 6 h, and under different pressures, between 15 and 150 MPa, but for the same time of 0.5 h. The porosity annihilation is investigated metallographically and by high-resolution synchrotron X-ray tomography. The obtained experimental results are compared with the predictions of the vacancy model proposed recently in the group. Herein, the model is further refined by coupling with X-ray tomography. The model describes the evolution of the pore arrays enclosed in the 3D synchrotron tomograms during hot isostatic pressing and properly predicts the time and stress dependences of the pore annihilation kinetics. The validated model and the obtained experimental results are used for selecting the optimal technological parameters such as applied pressure and processing time
The finite element software ProCrackPlast is developed for the automated simulation of fatigue crack growth in arbitrarily loaded three-dimensional components with large scale plastic deformations, in particular under cyclic thermomechanical (TMF) loading.
ProCrackPlast is developed by extending the software Procrack, created at TU Freiberg for linear-elastic crack growth simulations. The pre-processing, FEM analysis, and the post-processing in ProCrackPlast are done by the commercial software ABAQUS. ProCrackPlast resorts to a crack growth procedure which adaptively updates the crack in finite increments based on the fracture-mechanical parameter, cyclic crack tip opening displacement ΔCTOD . Features of this software along with two application examples of fatigue crack growth in a typical cast steel, Ni-Resist, are presented in this paper to show its capability and performance.
Crack propagation under low cycle fatigue and thermomechanical fatigue is characterized by high plastic and creep strains that extend over large regions around the crack, so that concepts of linear-elastic fracture mechanics cannot be applied. In these cases, the cyclic crack tip opening displacement 𝛥CTOD is a promising loading parameter to quantify crack growth. In this work, suitable definitions and Finite Element techniques are investigated and compared for an accurate calculation of 𝛥CTOD under cyclic mechanical and/or thermal loading. A viscoplastic temperature dependent material model of Chaboche-type is used along with large strain settings, specified for the austenitic cast iron Ni-resist. Extensive two-dimensional analyses of Single Edge Notch Tension specimens revealed that collapsed special crack tip elements are superior compared with commonly used regular quadrilateral 8-node elements. At the same level of accuracy of 𝛥CTOD, they require an about ten times coarser mesh and show less sensitivity
w.r.t. element size for both stationary and propagating cracks. In order to simulate fatigue crack growth, an efficient, fully automated FE-technique is developed for an incremental crack propagation by successive remeshing, whereby the deformations and internal state variables are mapped from the old mesh onto the new one. Recommendations are made regarding important numerical control parameters like optimal size of crack tip elements, length of crack growth increment in relation to plastic zone size and 𝛥CTOD value.