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In nickelbasierten Superlegierungen, die für Gasturbinenschaufeln verwendet werden, sind bei hohen Betriebstemperaturen und -belastungen Kriechschäden, Ermüdung, Korrosion und Oxi-dation zu beobachten. Die betroffenen Turbinenschaufeln müssen ersetzt oder repariert werden, um Effizienzverluste und ein eventuelles Bauteilversagen zu vermeiden. In letzter Zeit wurden additive Fertigungs- und Lötverfahren für die Reparatur und das Fügen von Nickelbasiswerk-stoffen entwickelt, um die Einschränkungen der traditionellen Reparaturverfahren zu überwinden. Für eine auslegungsrelevante Bewertung des Risswachstumsverhaltens in den Fügezonen, die durch diese neuen Technologien erzeugt werden, sind Rissfortschrittsuntersuchungen erfor-derlich. Entsprechende Untersuchungen an gefügten Proben werden in diesem Beitrag vorge-stellt. Die Rissfortschrittsversuche werden an gefügten SEN-Proben (Single Edge Notch) bei einem Spannungsverhältnis von 0,1 und einer Temperatur von 950 °C durchgeführt. Das Riss-wachstum wird mit der DCPD-Methode (Direct Current Potential Drop) überwacht, und die ge-messenen Potenzialsignale werden anhand der optisch vermessenen Risslänge und einer Finite-Elemente-Analyse kalibriert. Der Spannungsintensitätsfaktor (SIF) für die gefügte SEN-Geometrie wird mit Hilfe von Finite-Elemente-Analysen berechnet. Auf diese Weise können Rissfortschrittskurven aus den experimentellen Daten abgeleitet werden.
The elastic properties (Young's modulus, shear modulus) of titanium alloy Ti-6Al-4V were investigated between room temperature and 400 °C in an additively manufactured variant (laser-based directed energy deposition with powder as feedstock, DED-LB/M) and from a conventional process route (hot rolled bar). The moduli were determined using the dynamic resonance method. The data set includes information on processing parameters, heat treatments, microstructure, grain size, specimen dimensions and weight, Young’s and shear modulus as well as their measurement uncertainty.
The dataset was generated in an accredited testing lab using calibrated measuring equipment. The calibrations meet the requirements of the test procedure and are metrologically traceable. The dataset was audited as BAM reference data.
The fatigue behaviour of cast iron is usually investigated on machined specimens. Components of cast iron, however, have a casting skin; therefore the investigation of the influence of the casting skin on the lifetime is of interest. To study this influence isothermal fatigue tests were carried out on heat-resisting spheroidal graphite cast iron EN GJS SiMo 4.05 in 4–point-bending set-up at 400 °C. Specimens with and without casting skin were investigated comparatively. The number of cycles to failure was significantly lower for specimens with casting skin. Metallographic investigations underline the reduction of lifetime caused by casting skin.
Die warmfeste austenitische Gusseisenlegierung EN-GJSA-XNiSiCr35-5-2 (häufig auch als Ni-Resist D-5S bezeichnet) wurde hinsichtlich ihres mechanischen Verhaltens bei hoher Temperatur charakterisiert. Dazu wurden (isotherme) niederzyklische (LCF-) und (nicht-isotherme) thermomechanische Ermüdungsversuche (TMF) zwischen Raumtemperatur und 900 °C durchgeführt. Diese Ergebnisse dienten (zusammen mit weiteren Versuchsdaten) der Kalibrierung werkstoffmechanischer Modelle. Bei den höchsten Prüftemperaturen wurde Schädigung in Form von Kriechen beobachtet und metallographisch dokumentiert.
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.
Characterization of Ti-6Al-4V fabricated by multilayer laser powder-based directed energy deposition
(2022)
Laser powder-based directed energy deposition (DED-L) is increasingly being used in additive manufacturing (AM). As AM technology, DED-L must consider specific challenges. It must achieve uniform volume growth over hundreds of layers and avoid heat buildup of the deposited material. Herein, Ti–6Al–4V is fabricated using an approach that addresses these challenges and is relevant in terms of transferability to DED–L applications in AM. The assessment of the obtained properties and the discussion of their relationship to the process conditions and resulting microstructure are presented. The quality of the manufacturing process is proven in terms of the reproducibility of properties between individual blanks and with respect to the building height. The characterization demonstrates that excellent mechanical properties are achieved at room temperature and at 400 °C.
Creep and creep damage behavior of stainless steel 316L manufactured by laser powder bed fusion
(2022)
This study presents a thorough characterization of the creep properties of austenitic stainless steel 316L produced by laser powder bed fusion (LPBF 316L) contributing to the sparse available data to date. Experimental results (mechanical tests, microscopy, X-ray computed tomography) concerning the creep deformation and damage mechanisms are presented and discussed. The tested LPBF material exhibits a low defect population, which allows for the isolation and improved understanding of the effect of other typical aspects of an LPBF microstructure on the creep behavior. As a benchmark to assess the material properties of the LPBF 316L, a conventionally manufactured variant of 316L was also tested. To characterize the creep properties, hot tensile tests and constant force creep tests at 600 °C and 650 °C are performed. The creep stress exponents of the LPBF material are smaller than that of the conventional variant. The primary and secondary creep stages and the times to rupture of the LPBF material are shorter than the hot rolled 316L. Overall the creep damage is more extensive in the LPBF material. The creep damage of the LPBF material is overall mainly intergranular. It is presumably caused and accelerated by both the appearance of precipitates at the grain boundaries and the unfavorable orientation of the grain boundaries. Neither the melt pool boundaries nor entrapped gas pores show a significant influence on the creep damage mechanism.
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.
In diesem Forschungsvorhaben erfolgte eine Überprüfung der Übertragbarkeit der Werkstoff- und Rechenmodelle für die Lebensdauervorhersage von ATL-Heißteilen unter TMF-Beanspruchung auf eine andere Werkstoffklasse als im Vorgängervorhaben, d.h. auf das austenitische Gusseisen EN-GJSA-XNiSiCr35-5-2 (Ni-Resist D-5S). Zunächst wurde dafür eine experimentelle Datenbasis geschaffen, da diese vor Beginn des Vorhabens nicht ausreichend war. Dazu wurden Zug-, Kriech-, LCF- und TMF-Versuche durchgeführt, die der Kalibrierung der Modelle dienten. Das Spannungs-Verformungs-Verhalten und die Lebensdauer in den LCF- und TMF-Versuchen werden durch das Modell auch für den neuen Werkstoff überwiegend gut beschrieben. LCF-Versuche mit Haltezeit bei 900 °C sowie IP-TMFVersuche mit einer Obertemperatur von 900 °C werden weniger gut vorhergesagt, da sich der Schädigungsmechanismus ändert. Eine Verifikation des Modells erfolgte mit Hilfe eines Bauteilversuchs an einem Abgassammler. Die überwiegende Anzahl der experimentell ermittelten Rissorte wurden von dem Modell vorhergesagt.
Ein wesentliches Ziel des Vorhabens war, den Einfluss von HCF-Schwingungen auf die TMF-Lebensdauer vertieft experimentell zu untersuchen und das bereits bestehende Lebensdauermodell auf HCF-Überlagerung zu erweitern. Es wurde ein bruchmechanisch motivierter Ansatz entwickelt, in dem die Lebensdauerminderung durch die im TMF-Zyklus überlagerten HCF-Schwingungen abgebildet wird. Mit diesem Ansatz lassen sich die Lebensdauern sowohl für den Werkstoff SiMo 4.05 als auch für den Ni-Resist in guter Übereinstimmung mit dem Experiment Vorhersagen.
Das Ziel des Forschungsvorhabens ist erreicht worden.
KupferDigital mechanical testing datasets: Stress relaxation and low-cycle fatigue (LCF) tests
(2024)
The KupferDigital project deals with the development of a data ecosystem for digital materials research on the basis of ontology-based digital representations of copper and copper alloys. This document provides exemplary mechanical testing datasets for training the developed KupferDigital infrastructures. Different types of cast copper alloys were provided for this research and their mechanical testing (stress relaxation and low-cycle fatigue) was performed in the accredited materials testing laboratory, while the test results were reported according to the DIN/ISO standards and attached with the maximum possible metadata about the sample history, equipment, and calibration. The attached content file consisted of the obtained primary raw testing data as well as the secondary datasets of these tests containing the detailed metadata of mechanical testing methods. Such test data files are processed by the KupferDigital digital tools to be converted to standardized machine-readable data files.
Der vorliegende Beitrag beschreibt typische Bruchmuster, die an SSiC Proben nach Thermoschockexperimenten beobachtet wurden und korreliert diese qualitativ mit der aufgebrachten Belastung. Der Thermoschock wird durch eine schnelle, in der Probenmitte beginnende spiralförmige Aufheizung dünner Scheiben mit Laserstrahlung realisiert. Durch diese Versuchsführung wandert ein zunehmender Temperaturgradient von der Mitte beginnend in radialer Richtung durch die Probe. Dieser Temperaturgradient ist für die Ausbildung von Druckspannungen im Probeninneren und Zugspannungen im kalten Randbereich der Probe verantwortlich. Beim Erreichen einer kritischen, versagensrelevanten Spannung tritt Probenbruch auf. Dabei wird die bis zu diesem Zeitpunkt in der Probe gespeicherte elastische Energie teilweise in die Schaffung von Rissoberflächen umgewandelt. Der Zusammenhang zwischen gespeicherter elastischer Energie und Bruchmuster wird dargestellt.
Thermal barrier coatings (TBCs) are used to increase the operating temperature of land-, sea-, or air-based turbines. As failure of the coating may result in serious damage of the turbine, reliable estimation of the lifetime is essential. Most experiments to assess the lifetime or to determine parameters for simulations of the behavior of TBCs are done by burner-rig-tests, where the operating conditions are simulated by cyclic heating of the surface and cooling of the backside of a coated sample.
In this work a possibility is presented to do comparable experiments by heating the surface with laser irradiation instead of a burner. For this purpose a Nd:YAG-laser with a maximum output power of 1?kW and a wavelength of 1064?nm is used. The laser spot can be moved by integrated optics across the sample surface to achieve homogeneous heating of the coating. Cooling of the backside is done by air. The temperature of the sample surface is determined by an infrared-camera which also enables the possibility to detect failures in the coating via thermography. Additionally, acoustic sensors attached to the sample holder are used to detect failures in the sample. The investigated ceramic material (yttria stabilized zirconia) has a very low absorption coefficient at the used laser wavelength. Therefore, a pre-treatment of the samples was needed to increase the absorption coefficient to be able to heat up the samples.
In this paper, the experimental setup and first experimental results are presented.
Thermal barrier coatings allow increasing the operating temperature and efficiency of land-, sea-, or air-based turbines. As failure of the coating may result in serious damage of the turbine, reliable estimation of its lifetime is essential. To assess the lifetime, cyclic tests are conceived to combine thermal loading by heating the surface of the coating with laser irradiation and nondestructive methods for damage determination. Using laser irradiation allows a high reproducibility of the thermal load. The temperature of the sample surface during thermal loading is determined by an infrared-camera which also enables the possibility to detect damage in the coating via thermography. Additionally, four acoustic sensors, attached to the experimental setup, are used to detect damage in the sample and determine the source of acoustic events. Results of acoustic emission correlate well with thermographic images that visualize the formation and evolution of damage through delaminations in the samples.
The continuing increase of steam parameters of fossil fuelled high efficiency power plants and new combustion concepts for the capture and storage of carbon dioxide lead to harsher service conditions for the components and structural materials of such facilities. The present work introduces a test concept that allows testing of candidate materials under simultaneous mechanical and corrosive loading. The material's reaction can be directly investigated under simulated temperature, load and corrosion conditions of modern installations. First results obtained for different heat resistant steels suggest a strong influence of the environmental medium on the fatigue and creep behaviour. Such findings complement the data that is available from the classical qualification process of the materials and may support the material selection for new power plant installations.
The KupferDigital project aims to develop digital methods, tools, and data space infrastructures for digitalizing the entire life cycle of copper materials. The mechanical testing process is one of the main chains of such life cycles which generates lots of important testing data about the mechanical properties of the materials and their related materials and testing metadata. To train the digitalization of the mechanical testing process, different kinds of copper alloys were provided for this project, and their mechanical properties were measured by typical methods like Brinell and Vickers hardness and tensile testing. The primary raw testing data as well as the secondary datasets of these tests are provided. The detailed materials specifications, the utilized mechanical testing methods, and provided datasets are described in the content file. The test data files of heterogeneous structures are processed by the KupferDigital digital tools to be converted to standardized machine-readable data files.
The elastic properties (Young's modulus, shear modulus) of Ni-based alloy Inconel IN718 were investigated between room temperature and 800 °C in an additively manufactured variant (laser powder bed fusion, PBF‑LB/M) and from a conventional process route (hot rolled bar). The moduli were determined using the dynamic resonance method. The data set includes information on processing parameters, heat treatments, grain size, specimen dimensions and weight, Young’s and shear modulus as well as their measurement uncertainty.
The dataset was generated in an accredited testing lab using calibrated measuring equipment. The calibrations meet the requirements of the test procedure and are metrologically traceable. The dataset was audited as BAM reference data.
The elastic properties (Young's modulus, shear modulus) of austenitic stainless steel AISI 316L were investigated between room temperature and 900 °C in an additively manufactured variant (laser powder bed fusion, PBF‑LB/M) and from a conventional process route (hot rolled sheet). The moduli were determined using the dynamic resonance method. The data set includes information on processing parameters, heat treatments, grain size, specimen dimensions and weight, Young’s and shear modulus as well as their measurement uncertainty.
The dataset was generated in an accredited testing lab using calibrated measuring equipment. The calibrations meet the requirements of the test procedure and are metrologically traceable. The dataset was audited as BAM reference data.
Vergleichende Bewertung verschiedener Verfahren der E-Modulbestimmung für metallische Werkstoffe
(2017)
Für numerische Beanspruchungs- und Lebensdaueranalysen ist die Kenntnis des E-Moduls der eingesetzten Werkstoffe von zentraler Bedeutung. Für seine experimentelle Bestimmung wurden eine Vielzahl von Verfahren entwickelt, die zum Teil werkstoffspezifisch Eingang in die Normung gefunden haben. Prinzipiell können diese Verfahren in zwei Gruppen eingeteilt werden - die statischen und die dynamischen Prüfverfahren. Während die statischen Verfahren auf der direkten Messung des Spannungs-Dehnungs-Zusammenhangs während einer Belastung im elastischen Verformungsbereich beruhen (Zug-, Biege- bzw. Druckversuch) nutzen die dynamischen Verfahren die Analyse der resultierenden Schwingungen nach einer entsprechenden Anregung eines Prüfkörpers (Resonanz- bzw. Impulsanregungsmethode). Für verschiedene Werkstoffe wurden statische und dynamische Verfahren zur E-Modulbestimmung eingesetzt. Die Unterschiede und Vorteile der verschiedenen Verfahren werden vergleichend diskutiert.
Experimental and analytical investigation of the TMF-HCF lifetime behavior of two cast iron alloys
(2017)
The combined loading Thermomechanical Fatigue (TMF) with High Cycle Fatigue (HCF) has been experimentally investigated for two cast iron alloys. Both alloys contain globular graphite nodules but the first one has a ferritic structure while the second one has an austenitic crystal structure. In particular, the influences of the HCF frequency, of the HCF loading amplitude and of the location of the superposed HCF cycles have been investigated. It was observed that the HCF frequency has a limited impact on the fatigue life. On the other side, the HCF-strain amplitude has a highly non-linear influence on the fatigue life. The experimental results can be understood in terms of a fracture mechanics based damage mechanism: Cracks quickly initiate due to the TMF loading and the growth of the cracks up to a few mm controls the fatigue life. If HCF-loading cycles are superposed, cyclic crack propagation dramatically accelerates after a threshold has been reached. This threshold is regarded as controlling the fatigue life reduction. The previous ideas have been expressed in a model that can be very simply applied to estimate the fatigue life reduction ratio due to the superposed HCF cycles. It only contains two adjustable parameters and can be combined with any TMF life assessment model.