5 Werkstofftechnik
Filtern
Dokumenttyp
- Vortrag (37)
- Zeitschriftenartikel (16)
- Posterpräsentation (4)
- Beitrag zu einem Tagungsband (1)
- Dissertation (1)
Schlagworte
- Additive Manufacturing (59) (entfernen)
Organisationseinheit der BAM
- 5 Werkstofftechnik (59) (entfernen)
Inconel 718 (IN718) is a traditional age-hardenable nickel-based alloy that has been increasingly processed by additive manufacturing (AM) in recent years. In the as-solidified condition, IN718 exhibits chemical segregation and the undesired Laves phase, requiring a solution annealing (SA) prior to aging. The material produced by AM does not respond to the established thermal routines in the same way as conventionally produced IN718, and there is still no consensus on which routine yields optimal results. This work aims to provide a fundamental understanding of the heat treatment (HT) response by continuously monitoring the microstructural evolution during SA via time-resolved synchrotron x-ray diffraction, complemented by ex-situ scanning electron microscopy (SEM). The samples were produced by laser powder bed fusion to a geometry of 10x20x90 mm³, from which Ø1x5 mm³ cylindric specimens were extracted. Two different scanning strategies – incremental 67° rotations, Rot, and alternating 0°/67° tracks, Alt – were used, leading to two different as-built conditions. 1-hour SAs were carried out in the beamline ID22 of the ESRF at 50 KeV. Two SA temperatures, SA1 = 1020 °C, and SA2 = 1080 °C were tested for each scanning strategy. Data were processed using the software PDIndexer. In the as-built state, all samples showed typical subgrain columnar cell structures with predominant Nb/Mo segregation and Laves phase at the cell walls, as seen by SEM. The Alt scan induced higher intensity on the Laves peaks than the Rot scan, suggesting a greater content of Laves. Chemical homogenization in the SA was largely achieved during the heating ramp (Fig. 1). SA2 eliminated the Laves peaks just before reaching 1080 °C, and mitigated differences between Rot and Alt samples. On the other hand, SA1 induced the precipitation of the generally detrimental δ phase, also observed by SEM. Furthermore, the Rot scan showed higher δ peak intensities than the Alt scan, indicating a higher content of δ in the latter. No signs of recrystallization were observed in any of the investigated SAs.
The damage mechanisms of metallic components produced by process laser powder bed fusion differ significantly from those typically observed in conventionally manufactured variants of the same alloy. This is due to the unique microstructures of additively manufactured materials. Herein, the focus is on the study of the evolution of creep damage in stainless steel 316L specimens produced by laser powder bed fusion. X-ray computed tomography is used to unravel the influence of the process-specific microstructure from the influence of the initial void distribution on creep damage mechanisms. The void distribution of two specimens tested at 600 °C and 650 °C is analyzed before a creep test, after an interruption, and after fracture. The results indicate that the formation of damage is not connected to the initial void distribution. Instead, damage accumulation at grain boundaries resulting from intergranular cracking is observed.
Manipulating ceramic powder compacts and ceramic suspensions (slurries) within their volume with light requires a minimum transparency of the materials. Compared to polymers and metals, ceramic materials are unique as they offer a wide electronic band gap and thus a wide optical window of transparency. The optical window typically ranges from below 0.3 µm up to 5µm wavelength. Hence, to penetrate with laser light into the volume of a ceramic powder compound its light scattering properties need to be investigated and tailored. In the present study we introduce the physical background and material development strategies to apply two-photon-polymerization (2PP) for the additive manufacture of filigree structures within the volume of ceramic slurries.
Manipulating ceramic powder compacts and ceramic suspensions (slurries) within their volume with light requires a minimum transparency of the materials. Compared to polymers and metals, ceramic materials are unique as they offer a wide electronic band gap and thus a wide optical window of transparency. The optical window typically ranges from below 0.3 µm up to 5µm wavelength. Hence, to penetrate with laser light into the volume of a ceramic powder compound its light scattering properties need to be investigated and tailored. In the present study we introduce the physical background and material development strategies to apply two-photon-polymerization (2PP) for the additive manufacture of filigree structures within the volume of ceramic slurries.
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.
Mean-field modeling and Phase-field simulation of Grain Growth under Directional driving forces
(2024)
Directional grain growth is a common phenomenon in the synthetic and natural evolution of various polycrystals. It occurs in the presence of an external driving force, such as a temperature gradient, along which grains show a preferred, yet competitive, growth. Novel additive manufacturing processes, with intense, localized energy deposition, are prominent examples of when directional grain growth can occur, beneath the melting pool. In this work, we derive a phenomenological mean-field model and perform 3D phase-field simulations to investigate the directional grain growth and its underlying physical mechanisms. The effect of the intensity of driving force is simulated and systematically analyzed at the evolving growth front as well as various cross-sections perpendicular to the direction of the driving force. We found that although the directional growth significantly deviates from normal grain growth, it is still governed by a power law relation <R> \propto t^n with an exponent n ~ 0.6–0.7. The exponent
exhibits a nontrivial dependence on the magnitude of the directional driving force, such that the lowest growth exponent is observed for intermediate driving forces. We elaborate that this can originate from the fact that the forces at grain boundary junctions evolve out of balance under the influence of the directional driving force. With increasing the driving forces, the growth exponent asymptotically approaches a value of n~0.63, imposed by the largest possible grain aspect ratio for given grain boundary energies. The current combined mean-field and phase-field framework pave the way for future exploration in broader contexts such as the evolution of complex additively manufactured microstructures.
In order to be able to manipulate ceramic powder compacts and ceramic suspensions (slurries) within their volume with light, a minimum transparency of the materials is required. Compared to polymers and metals, ceramic materials are characterized by the fact that they have a wide electronic band gap and therefore a wide optical window of transparency. The optical window generally ranges from less than 0.3 µm to 5 µm wavelength. In order to focus light into the volume of a ceramic powder compact, its light scattering properties must therefore be tailored. In this study, we present the physical background and material development strategies for the application of two-photon polymerization (2PP) and selective volumetric sintering for the additive manufacturing of structures in the volume of ceramic slips and green compacts.
Manipulating ceramic powder compacts and ceramic suspensions (slurries) within their volume with light requires a minimum transparency of the materials. Compared to polymers and metals, ceramic materials are unique as they offer a wide electronic band gap and thus a wide optical window of transparency. The optical window typically ranges from below 0.3 µm up to 5µm wavelength. Hence, to penetrate with light into the volume of a ceramic powder compound, its light scattering properties need to be investigated and tailored. In the present study we introduce the physical background and material development strategies to apply two-photon-polymerization (2PP), and other volumetric methods for the additive manufacture of filigree structures within the volume of ceramic slurries.
In this presentation, the results of the determination of the diffraction and single-crystal elastic constants of laser powder bed fused Inconel 718 are presented. The analysis is based on high-energy synchrotron diffraction experiments performed at the Deutsches Elektronen-Synchrotron. It is shown that the characteristic microstructure of laser powder bed fused Inconel 718 impacts the elastic anisotropy and therefore the diffraction and single-crystal elastic constants. Finally, the consequences on the diffraction-based residual stress determination of laser powder bed fused Inconel 718 are discussed.