5 Werkstofftechnik
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Organisationseinheit der BAM
- 5 Werkstofftechnik (163)
- 5.2 Metallische Hochtemperaturwerkstoffe (51)
- 5.4 Multimateriale Fertigungsprozesse (32)
- 5.1 Mikrostruktur Design und Degradation (31)
- 5.3 Polymere Verbundwerkstoffe (31)
- 8 Zerstörungsfreie Prüfung (20)
- 5.6 Glas (16)
- 5.5 Materialmodellierung (13)
- 9 Komponentensicherheit (13)
- 8.5 Röntgenbildgebung (11)
Der Kirkendall-Effekt tritt bei aneinandergrenzenden Metallpaarungen auf, die höheren Temperaturen ausgesetzt sind. Es findet als Funktion von der Temperatur, der Zeit und der Konzentration die Diffusion von Atomen und Leerstellen über die Phasengrenze hinweg statt. Für die Untersuchung des Kirkendall-Effekts wurde mittels Diffusionsschweißens eine Werkstoffpaarung bestehend aus reinem Nickel (Ni) und der Nickelbasis-Superlegierung CMSX-4 hergestellt. Das Gefüge des reinen Nickels ist polykristallin und von CMSX-4 einkristallin. Da der Kirkendall-Effekt neben den oben genannten Parametern zudem von der Kristallorientierung abhängig ist, wurden zwei verschiedene Kristallorientierungen, die [111]- und [001]-Richtungen, gewählt. Aus 3D µ-tomografischen Untersuchungen ist bekannt, dass heiß-isostatisches Pressen (HIP) eine Verringerung der Porosität in CMSX-4 bewirkt, die durch die Erstarrung des Einkristalls bei der Herstellung entsteht [1]. Daher wurden bei den Diffusionsschweißungen Werkstoffpaarungen von reinem Nickel mit drei CMSX-4-Varianten -mit einer γ/γ‘-Mikrostrukturkombiniert: Ni/ CMSX-4 [111], Ni/ CMSX-4 [001] und Ni/ CMSX-4 [001]-HIPed. Die bei der Diffusionsschweißung entstehenden Grenzschichten wurden mittels Stereo-, Licht- und
Rasterelektronenmikroskopie sowie EDX-Analysen untersucht. Bei allen Diffusionsschweißungen entstand eine feste Verbindung zwischen den Werkstoffpaarungen. Wie bereits aus [2] bekannt, bildet sich bei allen Proben auf der Rein-Nickelseite der Grenzfläche ein Porensaum aus, während sich auf der CMSX-4-Seite ein γ‘-freie Zone bildet (Abbildung 1). Sowohl die jeweilige Porosität als auch Porengröße des Porensaums der drei Werkstoffpaarungen ist verschieden. Dieses gilt ebenso für die durchschnittliche Schichtdicke der γ‘-freie Zone. Die geringste durchschnittliche Schichtdicke mit 1,45 µm weist die Paarung Ni/ CMSX-4 [001]-HIPed (Abbildung 1b) auf, wobei die Dicke über den
Probenquerschnitt konstant ist. Dagegen schwanken die Schichtdicken der γ‘-freie Zonen bei Ni/ CMSX4 [111] (Abbildung 1c) zwischen 1,82 – 4,1 µm und Ni/ CMSX-4 [001] (Abbildung 1a) zwischen 1,36 - 4,55 µm.
EDX-Messungen (Linescans) von der CMSX-4-Seite über die γ‘-freie Zone bis in den Nickelwerkstoff zeigen den qualitativen Verlauf der Elementkonzentrationen von Nickel und Aluminium (Abbildung 2). Bei allen Werkstoffpaarungen nimmt die Konzentration des Elements Nickel kontinuierlich zu. Während in der Werkstoffpaarung Ni/CMSX-4 [111] der Konzentrationszunahme symmetrisch über die
Grenzfläche verläuft, weist Nickel bei den Werkstoffpaarungen Ni/CMSX-4 mit [001]-Orientierung keinen symmetrischer Konzentrationsverlauf auf. Daraus lässt sich schließen, dass hier die Diffusion von Nickel über die Grenzfläche in die γ‘-freie Zone in Abhängigkeit von der Kristallorientierung unterschiedlich stattfindet.
Entgegengesetzt diffundiert das Element Aluminium von der CMSX-4-Seite zur Nickelseite, wie sich aus dem ebenfalls unsymmetrischen Elementverlauf schließen lässt. Bemerkenswert ist hier ein Knick, der sich nach einem Steilabfall einem Plateau anschließt, wie im vergrößerten Ausschnitt in Abbildung 2 mit einem roten Pfeil markiert ist. Dieser Verlauf ist von der Kristallorientierung unabhängig und ist auf die bessere Diffusivität von Al im Vergleich zu Ni zurückzuführen.
Es wird eine Studie zur Charakterisierung eines anisotropen Stahls vorgestellt, bei der Ultraschalluntersuchungen mit Mikrostrukturanalysen verbunden werden. Das Material weist hohe Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit auf, zugleich ist mit anisotropen Eigenschaften die mechanischen und betrieblichen Eigenschaften beeinflussen zu rechnen. Vorläufige Ergebnisse lassen vermuten, dass weitere Untersuchungen notwendig sind, um die Fähigkeiten und Grenzen des Materials genau zu bestimmen. Es wird ein systematischer Ansatz mit Array- Prüfköpfen, Time-of-Flight Diffraction (TOFD) Technik und mikrostrukturellen Untersuchungen angewendet, um die Wechselwirkung zwischen Anisotropie und Mikrostruktur des Stahls zu analysieren. Ultraschallprüfungen mit der TOFD-Technik und in Tauchtechnik liefern Einblicke in das anisotrope Verhalten des Werkstoffes, einschließlich entsprechenden Kornorientierung, Dämpfung und Schallgeschwindigkeitsvariation. Diese Messungen führen in Verbindung mit mikrostrukturellen Analysen zu einem tieferen Verständnis des Materialverhaltens. Unser Hauptziel ist es, ein Framework zu erstellen, welches die Ultraschallantwort anisotroper Materialien mit ihren mikroskopischen Struktureigenschaften verbindet. Die vorgestellte Methodik ermöglicht eine zerstörungsfreie und zügige Bewertung der Materialintegrität, was besonders bei der Anwendung von Hochleistungsmaterialien relevant ist. Durch diesen integrativen Ansatz werden verschiedener Charakterisierungsmethoden kombiniert, um ein umfassenderes Materialverständnis zu erreichen.
Nickelbasierte Superlegierungen werden in großem Umfang für Gasturbinenschaufeln verwendet, da sie einer Kombination aus hoher Belastung und hohen Temperaturen widerstehen können. Um die Effizienz moderner Gasturbinen zu verbessern, werden hohe Betriebstemperaturen angestrebt. Diese hohen Temperaturen verbunden mit mechanischen Belastungen führen zu Materialschäden aufgrund von Kriechen, Ermüdung und anderen Schadensmechanismen. Aus diesem Grund werden Turbinenschaufeln regelmäßig im Rahmen von Wartungs- und Instandsetzungsmaßnahmen geprüft und falls erforderlich ausgetauscht, um ein katastrophales Versagen im Betrieb zu vermeiden. Ein kompletter Austausch ist mit sehr hohen Kosten verbunden, weshalb geeignete Reparaturverfahren entwickelt wurden und werden. Neue Reparaturtechnologien wie die Additive Fertigung, Lötverfahren und der Einsatz von vorgesinterten Vorformen (Presintered Preform PSP) sollen eine effiziente Reparatur und optimale Eigenschaften der reparierten Bauteile sichterstellen.
Im Allgemeinen stellen die Fügezonen typische Schwachstellen dar, da sie die Anrissbildung und Rissausbreitung erleichtern und die Anzahl der Lastzyklen bis zum Bruch reduzieren können. Aus diesem Grund ist eine umfassende Untersuchung des Rissfortschrittsverhaltens in diesen, durch neue Reparaturtechnologien entstandenen Bereichen erforderlich, um die Restlebensdauer der Turbinenschaufeln vorherzusagen.
Als ein erster Beitrag zu dieser Fragestellung werden Ergebnisse von Rissfortschrittsversuchen (Fig. 1) an SENT-Proben vorgestellt, die durch Engspaltlöten gefügt wurden. Die Versuche wurden bei einer Temperatur von 950 °C und einem Spannungsverhältnis R = 0,1 durchgeführt. Die Erfassung des Rissfortschritts erfolgte mit dem Gleichstrom-Potentialsonden-Verfahren. Mit der Finite-Element-Methode konnte der Spannungsintensitätsfaktor für gefügte SENT-Proben berechnet werden, der dann zur Berechnung der Risswachstumskurven verwendet wurde. Eine abschließende licht- und rasterelektronenmikroskopische Untersuchung der Bruchflächen soll einen Beitrag zum Verständnis der Bruchmechanismen liefern und klären, ob der Riss sich im Lotwerkstoff, im Grundwerkstoff oder in der Grenzfläche ausbreitet. Die Ergebnisse werden zur Kalibrierung des Rissfortschrittsmodells und der Auslegung zukünftiger Komponenten verwendet.
Im Projekt GlasDigital sollen digitale Werkzeuge für die Hochdurchsatzentwicklung neuartiger Glaswerkstoffe erarbeitet werden. Dies soll durch die Kombination robotischer Syntheseverfahren mit selbstlernenden Maschinen und ihre Einbindung in eine Ontologie-basierte digitale Infrastruktur realisiert werden.
GlasDigital
(2023)
Die Integration und Wiederverwendung von Wissen und Daten aus der Herstellung, Bearbeitung und Charakterisierung von Materialien wird im Zuge der digitalen Transformation in der Materialwissenschaft und Werkstofftechnologie in verschiedenen Projekten behandelt. Dabei liegt der Fokus auf der Interoperabilität von Daten und Anwendungen, die nach den FAIR-Prinzipien erstellt und veröffentlicht werden. Zur Umsetzung eines komplexen Datenmanagements und der Digitalisierung im Bereich der Materialwissenschaften gewinnen Ontologien zunehmend an Bedeutung. Sie ermöglichen sowohl menschenlesbare als auch maschinenverständliche und -interpretierbare Wissensrepräsentationen durch semantische Konzeptualisierungen.
Im Rahmen des Projektes Plattform MaterialDigital (PMD, materialdigital.de), welches in dieser Präsentation vorgestellt wird, werden Ontologien verschiedener Ebenen entwickelt (verbindende mid-level sowie Domänen-Ontologien). Die PMD-Kernontologie (PMD Core Ontology - PMDco) ist eine Ontologie der mittleren Ebene, die Verbindungen zwischen spezifischeren MSE-Anwendungsontologien und domänenneutralen Konzepten herstellt, die in bereits etablierten Ontologien höherer Ebenen (top-level Ontology) verwendet werden. Sie stellt somit einen umfassenden Satz von durch Konsensbildung in der Gemeinschaft (geteiltes Vokabular) entstanden Bausteinen grundlegender Konzepte aus der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik (MSE) dar. In dieser Präsentation wird die PMDco adressiert.
Weiterhin wird eine auf die PMDco bezogene normenkonforme ontologische Repräsentation zur Speicherung und Weiterverarbeitung von Zugversuchsdaten – die Tensile Test Ontology (TTO) – präsentiert, die in enger Zusammenarbeit mit dem zugehörigen DIN-Standardisierungsgremium NA 062-01-42 AA erstellt wurde. Dies umfasst den Weg von der Entwicklung einer Ontologie nach Norm, der Konvertierung von Daten aus Standardtests in das interoperable RDF-Format bis hin zur Verbindung von Ontologie und Daten. Auf Grundlage der dabei entwickelten Struktur und Vorgehensweise können weitere Materialcharakterisierungsmethoden semantisch beschrieben werden, woraus sich in diesem Zusammenhang Kooperationsmöglichkeiten ergeben.
Es wird eine Studie zur Charakterisierung eines anisotropen Stahls vorgestellt, bei der Ultraschalluntersuchungen mit Mikrostrukturanalysen verbunden werden. Das Material weist hohe Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit auf, zugleich ist mit anisotropen Eigenschaften die mechanischen und betrieblichen Eigenschaften beeinflussen zu rechnen. Vorläufige Ergebnisse lassen vermuten, dass weitere Untersuchungen notwendig sind, um die Fähigkeiten und Grenzen des Materials genau zu bestimmen. Es wird ein systematischer Ansatz mit Array- Prüfköpfen, Time-of-Flight Diffraction (TOFD) Technik und mikrostrukturellen Untersuchungen angewendet, um die Wechselwirkung zwischen Anisotropie und Mikrostruktur des Stahls zu analysieren. Ultraschallprüfungen mit der TOFD-Technik und in Tauchtechnik liefern Einblicke in das anisotrope Verhalten des Werkstoffes, einschließlich entsprechenden Kornorientierung, Dämpfung und Schallgeschwindigkeitsvariation. Diese Messungen führen in Verbindung mit mikrostrukturellen Analysen zu einem tieferen Verständnis des Materialverhaltens. Unser Hauptziel ist es, ein Framework zu erstellen, welches die Ultraschallantwort anisotroper Materialien mit ihren mikroskopischen Struktureigenschaften verbindet. Die vorgestellte Methodik ermöglicht eine zerstörungsfreie und zügige Bewertung der Materialintegrität, was besonders bei der Anwendung von Hochleistungsmaterialien relevant ist. Durch diesen integrativen Ansatz werden verschiedener Charakterisierungsmethoden kombiniert, um ein umfassenderes Materialverständnis zu erreichen.
Die additive Fertigung (AM) metallischer Werkstoffe ist eine Technologie, die zunehmend Gegenstand von Forschungsaktivitäten und industrieller Anwendung ist. Dennoch steht sie noch vor Herausforderungen, um eine breite Nutzung in sicherheitsrelevanten Anwendungen zu erreichen. Die Hauptgründe für die Verzögerung des technologischen Durchbruchs zugunsten von AM-Metallen gegenüber konventionell hergestellten Varianten sind das Fehlen eines tieferen Verständnisses der Prozess-Struktur-Eigenschafts-Beziehungen und die begrenzte Verfügbarkeit von Daten zu den Materialeigenschaften. In diesem Kontext stellt diese Arbeit einen Beitrag sowohl zum Verständnis der Prozess-Struktur-Eigenschafts-Beziehungen als auch zur Verbesserung der Datenlage von 316L dar, einem häufig als Konstruktionswerkstoff in verschiedenen Hochtemperaturbauteilen verwendeten Werkstoff. Die Arbeit legt den Fokus auf die mittels Laser-Pulverbettschmelzen hergestellte Werkstoffvariante, PBF-LB/M/316L. Eine konventionell hergestellte Variante, HR/316L, wurde auch untersucht. Bei PBF-LB/M/316L wurde zusätzlich der Effekt ausgewählter Wärmebehandlungen ausgewertet. Die Untersuchung umfasste die Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften und der Verformungs- und Schädigungsmechanismen bei erhöhten Prüftemperaturen bei LCF und Kriechen, wo die Daten und Wissenslage am spärlichsten ist. Außerdem hat die untersuchte PBF-LB/M/316L-Wersktoffvariante einen geringen Porositätsgrad. Somit hat diese Arbeit die Mikrostruktur stärker in den Fokus genommen als die meisten bisher in der Literatur verfügbaren Studien.
Die mechanische Prüfkampagne umfasste Zugversuche zwischen Raumtemperatur und 650 °C, LCF-Versuche zwischen Raumtemperatur und 600 °C sowie Kriechversuche bei 600 °C und 650 °C. In Ermangelung konkreter Richtlinien und Normen wurde die Charakterisierung zumeist anhand der bestehenden internationalen Prüfnormen und Probengeometrien durchgeführt. Aus jedem dieser Prüfverfahren wurden die entsprechenden Festigkeits- und Verformungskennwerte ermittelt. Darüber hinaus wurde mit Hilfe gezielter mikrostruktureller Untersuchungen ein Beitrag zum Verständnis des Zusammenhangs zwischen der Mikrostruktur und den mechanischen Eigenschaften in Bezug auf die Verformungs- und Schädigungsmechanismen geleistet.
Die Dehngrenze von PBF-LB/M/316L ist etwa doppelt so hoch wie die von HR/316L und dieser Trend setzt sich mit ansteigender Prüftemperatur fort. Die Bruchdehnung ist bei allen Prüftemperaturen geringer. PBF-LB/M/316L weist über den größten Teil der Ermüdungslebensdauer vor allem bei Raumtemperatur höhere zyklische Spannungen als HR/316L auf. Ausschließlich bei den kleinsten Dehnungs-schwingbreiten sind die Ermüdungslebensdauer ausgeprägt kürzer. Das Wechselverformungsverhalten von PBF-LB/M/316L ist durch eine Anfangsverfestigung gefolgt von einer kontinuierlichen Entfestigung charakterisiert, welche bis zum Auftreten der zum Versagen führenden Entfestigung stattfindet. Die Kriechbruchzeiten und die Dauer jeder Kriechphase sind bei allen Kombinationen von Prüfparametern bei PBF-LB/M/316 kürzer als bei HR/316L. Die Spannungsabhängigkeit von PBF-LB/M/316L ist im Vergleich zu HR/316L geringer und die Duktilität beim Kriechen kleiner. Die minimale Kriechrate wird bei allen geprüften Parameterkombinationen bei deutlich geringeren Kriechdehnungen erreicht. Eine Wärmebehandlung bei 450 °C / 4 h bewirkt keine wesentliche Änderungen der Mikrostruktur und Zugversuchseigenschaften. Eine zusätzliche Wärmebehandlung bei 900 °C / 1 h verursacht eine Abnahme der Dehngrenze des PBF-LB/M/316L. Diese blieb aber immer noch um den Faktor 1,5x höher als bei HR/316L. Die Verformungsmerkmale wurden kaum davon beeinflusst. Bezüglich des Kriechverhaltens hat die Wärmebehandlung bei 900 °C / 1 h längere sekundäre und tertiäre Kriechstadien bewirkt und die Kriechdehnung hat sich signifikant erhöht. Die Bruchbilder unterscheiden sich generell nicht nur aber vor allem mit ansteigender Prüftemperatur, bei der bei PBF-LB/M/316L oft interkristalline Rissbildung beobachtet wurde. Die Zellstruktur trägt als der Hauptfaktor zu den unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften im Vergleich zur HR/316L-Variante bei. Darüber hinaus spielen mutmaßlich die Kornmorphologie, die Stapelfehlerenergie und der Stickstoffgehalt eine Rolle.
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 die Bestimmung der spezifischen Oberfläche von dispersen und/oder porösen Pulvern mittels Gasadsorption nach dem BET-Verfahren.
Es wird auf die Anwendbarkeit der Methode eingegangen und es werden praktische Hinweise zur Probenvorbereitung und Messung von Nanomaterialien gegeben.
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.