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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.
In diesem Forschungsvorhaben wurde ein Verfahren entwickelt, um die Genauigkeit der Lebensdauerbewertung für Abgasturbolader (ATL)-Verdichterräder aus der ausscheidungs-härtbaren Aluminiumlegierung EN AW-2618A zu verbessern. Dies umfasst insbesondere die Berücksichtigung der Werkstoffalterung, mit der beim Einsatz dieser Bauteile unter entsprechender Betriebsbeanspruchung (Temperatur, Zeit, Spannung) gerechnet werden muss. Zunächst wurde eine solide experimentelle Datenbasis für den untersuchten Werkstoff geschaffen. Dies umfasste sowohl eine mechanische als auch eine mikrostrukturelle Charakterisierung des Ausgangszustands (T61) sowie von ausgelagerten Zuständen bis zu 25.000 h bei betriebsrelevanten Temperaturen (160 °C, 180 °C, 190 °C). Bei den Untersuchungen zur Mikrostruktur wurde der Fokus auf die Entwicklung der Radien der stäbchen-förmigen aushärtenden Phase gelegt, die während der Alterung vergröbern. Der Zusammenhang zwischen Auslagerungstemperatur, -zeit und ggfs. mechanischer Belastung wurde erstmals in diesem Umfang quantifiziert und entsprechende Gesetzmäßigkeiten zur Beschreibung der Vergröberung ermittelt. Vergleichend dazu wurde der Einfluss der Alterung auf die Härte, die Festigkeit, das Kriechverhalten und die Ermüdungslebensdauer (LCF, TMF) bestimmt, so dass eine Korrelation zur Mikrostruktur vorliegt.
Die Ergebnisse der Kriechversuche wurden zur Kalibrierung eines modifizierten Sinus-hyperbolicus-Kriechmodells verwendet. Ein zeit- und temperaturabhängiges Verformungsmodell nach Chaboche, welches die wesentlichen Phänomene der Hochtemperaturverformung und der Wechselplastizität beschreibt, wurde erweitert und berücksichtigt nun die Werkstoffalterung, indem die Festigkeit nicht nur als Funktion der Temperatur, sondern auch des Alterungszustands (d. h. des mittleren Radius der Ausscheidungen) dargestellt wird. Für die Erweiterung des Modells zur Bewertung der Ermüdungslebensdauer wurde analog verfahren. Die berechnete Lebensdauer der im Verlauf des Vorhabens durchgeführten LCF- und TMF-Versuche stimmt gut mit den experimentellen Ergebnissen überein. Lediglich ein LCF-Versuch mit einer Haltezeit von 900 s im Zug weicht deutlich vom Mittelwert ab und zeigt die Grenzen des zeitunabhängigen Schädigungsmodells auf. Versuche mit kürzeren Haltezeiten bis zu 60 s liegen im Streuband, ebenso die verschiedenen Alterungszustände. Eine Schädigungsakkumulation unter Berücksichtigung der fortschreitenden Alterung über der Lebensdauer wurde entwickelt und implementiert. Neben der Berücksichtigung der Alterung in der Verformungs- und Lebensdaueranalyse besteht auch die Möglichkeit, komplexe Belastungszyklen in einem Postprozessing zu bewerten, indem Rainflow-Klassierungen typischer komplexer Belastungszyklen vorgenommen werden.
Die Methodik und die Modelle wurden in die Finite-Elemente-Programme Abaqus und Ansys implementiert und stehen für die rechnerische Bewertung von Bauteilen zur Verfügung.
A study was made on the effect of creep loading on the precipitate radii evolution of the aluminum alloy 2618A.
The overageing process of the alloy was investigated under load at a temperature of 190 °C with stresses between 79 and 181 MPa and compared to stress free isothermal ageing. The precipitates responsible for strength were characterized using dark-field transmission electron microscopy (DFTEM). This allows the experimental Determination of radii distributions of the rod-shaped Al2CuMg precipitates and the evaluation regarding their mean precipitate radius. It was found that the mean precipitate radius enables the comparison of the different microstructural conditions of crept and uncrept samples. The mean precipitate radii of the samples experiencing creep are significantly higher than those of undeformed samples. It was shown that the acquired radii distributions are viable to determine averaged particle radii for comparison of the aged samples. A ripening process including pipe diffusion along dislocations describes the data on coarsening very well for the creep samples.
The aluminum alloy 2618A is an Al-Cu-Mg alloy with additions of Fe and Ni, which was designed for long-term operation at elevated temperature in transportation and aerospace industries. Typical applications include aircraft parts and structures (sheet material) or engine components such as turbo charger centrifugal compressor wheels (forged material). Such components are subjected to prolonged aging during service, (e.g. 50 000 h) at temperatures which are close to their age hardening temperature (ca. 190 °C).
The microstructural evolution during creep exposure is studied.
Experimentally informed multiscale creep modelling of additive manufactured Ni-based superalloys
(2023)
Excellent creep resistance at elevated temperatures, i.e. T / T_m> 0.5, due to γ-γ’ microstructure is one of the main properties of nickel-based superalloys. Due to its great importance for industrial applications, a remarkable amount of research has been devoted to understanding the underlying deformation mechanism in a wide spectrum of temperature and loading conditions. Additive manufactured (AM) nickel-based superalloys while being governed by similar γ-γ’ microstructure, exhibit AM-process specific microstructural characteristics, such as columnar grains, strong crystallographic texture (typically <001> fiber texture parallel to build direction) and compositional inhomogeneity, which in turn leads to anisotropic creep response in both stationary and tertiary phases.
Despite the deep insights achieved recently on the correlation between process parameters and the resulting microstructure, the anisotropic creep behavior and corresponding deformation mechanism of these materials are insufficiently understood so far. One reason for this is the lack of capable material models that can link the microstructure to the mechanical behavior. To overcome this challenge, a multiscale microstructure-based approach has been applied by coupling crystal plasticity (CP) and polycrystal model which enables the inclusion of different deformation mechanisms and microstructural characteristics such as crystallographic texture and grain morphology. The method has been applied to experimental data for AM-manufactured INCONEL-738LC (IN738). The effect of different slip systems, texture, and morphology on creep anisotropy at 850°C has been investigated. Results suggest a strong correlation between superlattice extrinsic stacking fault (SESF) and microtwinning and observed creep anisotropy.
The current lack of quantitative knowledge on processing-microstructure–property relationships is one of the major bottlenecks in today’s rapidly expanding field of additive manufacturing. This is centrally rooted in the nature of the processing, leading to complex microstructural features. Experimentally-guided modeling can offer reliable solutions for the safe application of additively manufactured materials. In this work, we combine a set of systematic experiments and modeling to address creep anisotropy and its correlation with microstructural characteristics in laser-based powder bed fusion (PBF-LB/M) additively manufactured Inconel-738LC (IN738LC). Three sample orientations (with the tensile axis parallel, perpendicular, and 45° tilted, relative to the building direction) are crept at 850 °C, accompanied by electron backscatter secondary diffraction (EBSD), scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM) investigations. A crystal plasticity (CP) model for Ni-base superalloys, capable of modeling different types of slip systems, is developed and combined with various polycrystalline representative volume elements (RVEs) built on the experimental measurements. Besides our experiments, we verify our modeling framework on electron beam powder bed fusion (PBF-EB/M) additively manufactured Inconel-738LC. The results of our simulations show that while the crystallographic texture alone cannot explain the observed creep anisotropy, the superlattice extrinsic stacking faults (SESF) and related microtwinning slip systems play major roles as active deformation mechanisms. We confirm this using TEM investigations, revealing evidence of SESFs in crept specimens. We also show that the elongated grain morphology can result in higher creep rates, especially in the specimens with a tilted tensile axis.
Zur Abschätzung der Lebensdauer eines bei höherer Temperatur langzeitbelasteten Bauteils wurden Zeitstandversuche, Relaxationsversuche und weitere Versuche mit unterschiedlichen Umgebungssteifigkeiten durchgeführt.
Die Zeitstandversuche, deren Versuchsführung eine unendlich niedrige Umgebungssteifigkeit simuliert, liefern geringere Lebensdauern (Bruchzeiten) im Vergleich zu Versuchen mit endlich hohen, technisch relevanten Steifigkeiten bei vergleichbarer Probensteifigkeit (Geometrie), wobei die Lebensdauern mit steigender Umgebungssteifigkeit zunehmen. Die längsten Lebensdauern zeigen Relaxationsversuche mit einer unendlich hohen Umgebungssteifigkeit aufgrund ihrer Versuchsregelung.
Für die Übertragung der an Proben gewonnenen Ergebnisse auf das Bauteil wurde das Steifigkeitsverhältnis Z zwischen der Steifigkeit der 'Probe' und der der 'Umgebung' definiert und angewandt. Das Steifigkeitsverhältnis des kritischen Bereichs im Bauteil und das der Werkstoffprobe in der Prüfmaschine sollten möglichst ähnlich sein. Dann lassen sich bei der Übertragung auf das Bauteil realistisch höhere Lebensdauern abschätzen als nur mit Kenntnis der Ergebnisse der Zeit-standversuche.