5 Werkstofftechnik
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The project ProMoAM is presented. The goal of the project is to evaluate which NDT techniques or combination of techniques is suited for in-situ quality assurance in additive manufacturing of metals. To this end, also 3d-data fusion and visualization techniques are applied. Additional ex-situ NDT-techniques are used as references for defect detection and quantification. Feasability studies for NDT-techniques that are presently not applicable for in-situ use are performed as well.
The presentation gives a brief overview of the whole project and the different involved NDT-techniques.
Die Untersuchung und Charakterisierung der Entwicklung/Änderung der Mikrostruktur, der mechanischen Eigenschaften sowie der Lebensdauer additiv gefertigter metallischer Werkstoffe hat bisher, vor allem im Hinblick auf die komplexe Belastungsfälle bei sicherheitsrelevanten Anwendungen, mit der rasanten Entwicklung der Fertigungstechniken nicht Schritt gehalten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens von additiv gefertigten TiAl6V4 im Low-Cycle-Fatigue Bereich (niederzyklische Ermüdung) nach Norm ISO 12206 mit Dehnungsamplituden von 0.3 bis zu 1.0 % und bei Raumtemperatur, 250°C und 400°C durchgeführt. Die TiAl6V4 Proben wurden aus zylindrischen Halbzeugen gefertigt, welche durch Laser-Pulver-Auftragsschweißen mit einer optimierten Aufbaustrategie hergestellt wurden. Die optimierte Aufbaustrategie beinhaltet variierende Spurüberlappungsgraden, die die Fertigung der dünnen zylindrischen Körper ohne weitere Ausgleichslagen ermöglicht. Das Werkstoffverhalten wird anhand von Wechselverformungskurven sowie einer Darstellung der Lebensdauer in einem Wöhler-Diagramm beschrieben. Ein Fitting der Lebensdauer-Daten erfolgt anhand der Manson-Coffin-Basquin Beziehung. Eine Eingangscharakterisierung der mikrostrukturellen Merkmale inklusive Bindefehler aus dem Herstellungsprozess wird durch Lichtmikroskopie und hochauflösende Computertomographie (CT) durchgeführt. Der Versagensmechanismus während der Belastung wird anhand von Zwischenuntersuchungen mit CT und einem unterbrochenen Versuch mit ausgewählten Versuchsparametern beschrieben. Nach dem Versagen wurden die Proben am REM, mit Lichtmikroskopie und mit CT fraktographisch in Längs- und Querrichtung untersucht. Die erfassten Lebensdauern sind ähnlich zu denen aus herkömmlichen Studien und liegen unter derjenigen von dem konventionell hergestellten (geschmiedeten) Werkstoff. In dieser Arbeit wurden für den untersuchten Werkstoff bei anwendungs- und sicherheitsrelevanten Belastungszuständen (hohe Temperaturen, zyklische Plastizität) neue experimentelle Daten und Kennwerte ermittelt und Verständnis über das mechanische Verhalten und die Entwicklung der Mikrostruktur aufgebaut. Darüber hinaus wurde Verständnis über die Rolle von Bindefehlern und anderen typisch für AM auftretenden Gefügemerkmalen auf das Versagensverhalten von DED-L TiAl6V4 gewonnen.
Despite of the significant advances in AM process optimization there is still a lack of experimental results and understanding regarding the mechanical behavior and microstructural evolution of AMparts, especially in loading conditions typical for safety-relevant applications e.g. in the aerospace or power engineering. Within the scope of the presented investigations, a characterization of the fatigue behavior of additively manufactured Ti-6Al-4V in the low cycle fatigue regime was carried out in the range of 0.3 to 1.0 % strain amplitude at room temperature, 250°C and 400°C. The Ti-6Al-4V specimens are machined out of lean cylindrical rods, which were fabricated using powder laser metal deposition (LMD) with an improved build-up strategy. The improved strategy incorporates variable track overlap ratios to achieve a constant growth in the shell and core area. The low-cycle-fatigue behavior is described based on cyclic deformation curves and strain-based fatigue life curves. The lifetimes are fitted based on the Manson-Coffin-Basquin relationship. A characterization of the microstructure and the Lack-of-Fusion (LoF)-defect-structure in the as-built state is performed using optical light microscopy and high-resolution computed tomography (CT) respectively. The failure mechanism under loading is described in terms of LoF-defects-evolution and crack growth mechanism based on an interrupted LCF test with selected test parameters. After failure, scanning electron microscopy, digital and optical light microscopy and CT are used to describe the failure mechanisms both in the longitudinal direction and in the cross section of the specimens. The fatigue lives obtained are comparable with results from previous related studies and are shorter than those of traditionally manufactured (wrought) Ti-6Al-4V. In this study new experimental data and understanding of the mechanical behavior under application-relevant loading conditions (high temperature, cyclic plasticity) is gained. Furthermore, a better understanding of the role of LoFdefects and AM-typical microstructural features on the failure mechanism of LMD Ti-6Al-4V is achieved.
Die Untersuchung und Charakterisierung der Entwicklung/Änderung der Mikrostruktur, der mechanischen Eigenschaften sowie der Lebensdauer additiv gefertigter metallischer Werkstoffe hat bisher, vor allem im Hinblick auf die komplexe Belastungsfälle bei sicherheitsrelevanten Anwendungen, mit der rasanten Entwicklung der Fertigungstechniken nicht Schritt gehalten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens von additiv gefertigten TiAl6V4 im Low-Cycle-Fatigue Bereich (niederzyklische Ermüdung) nach Norm ISO 12206 mit Dehnungsamplituden von 0.3 bis zu 1.0 % und bei Raumtemperatur, 250°C und 400°C durchgeführt. Die TiAl6V4 Proben wurden aus zylindrischen Halbzeugen gefertigt, welche durch Laser-Pulver-Auftragsschweißen mit einer optimierten Aufbaustrategie hergestellt wurden. Die optimierte Aufbaustrategie beinhaltet variierende Spurüberlappungsgraden, die die Fertigung der dünnen zylindrischen Körper ohne weitere Ausgleichslagen ermöglicht. Das Werkstoffverhalten wird anhand von Wechselverformungskurven sowie einer Darstellung der Lebensdauer in einem Wöhler-Diagramm beschrieben. Ein Fitting der Lebensdauer-Daten erfolgt anhand der Manson-Coffin-Basquin Beziehung. Eine Eingangscharakterisierung der mikrostrukturellen Merkmale inklusive Bindefehler aus dem Herstellungsprozess wird durch Lichtmikroskopie und hochauflösende Computertomographie (CT) durchgeführt. Der Versagensmechanismus während der Belastung wird anhand von Zwischenuntersuchungen mit CT und einem unterbrochenen Versuch mit ausgewählten Versuchsparametern beschrieben. Nach dem Versagen wurden die Proben am REM, mit Lichtmikroskopie und mit CT fraktographisch in Längs- und Querrichtung untersucht. Die erfassten Lebensdauern sind ähnlich zu denen aus herkömmlichen Studien und liegen unter derjenigen von dem konventionell hergestellten (geschmiedeten) Werkstoff. In dieser Arbeit wurden für den untersuchten Werkstoff bei anwendungs- und sicherheitsrelevanten Belastungszuständen (hohe Temperaturen, zyklische Plastizität) neue experimentelle Daten und Kennwerte ermittelt und Verständnis über das mechanische Verhalten und die Entwicklung der Mikrostruktur aufgebaut. Darüber hinaus wurde Verständnis über die Rolle von Bindefehlern und anderen typisch für AM auftretenden Gefügemerkmalen auf das Versagensverhalten von DED-L TiAl6V4 gewonnen.
Despite of the significant advances in additive manufacturing (AM) process optimization there is still a lack of experimental results and understanding regarding the mechanical behavior and its relationship with the microstructural features of AM-parts, especially in loading conditions typical for safety-relevant applications. Within the scope of the presented ongoing investigations, a basic microstructural characterization, tensile tests at room and elevated temperature (400°C) as well as a characterization of the fatigue behavior of additively manufactured Ti-6Al-4V in the low cycle fatigue regime are carried out in the as-built state. After failure, different techniques are used to describe the failure mechanisms of the specimens. The AM-Specimens are provided by the Fraunhofer institute for production systems and design technology and investigated at the BAM following the philosophy of the TF-Project AGIL.
Komponenten von Fahrrädern werden im Betrieb vorwiegend schwingend beansprucht. Typische Werkstoffe sind Stahl, Aluminiumlegierungen, Messing, CFK und thermoplastische Kunststoffe. Da es sich, unabhängig von der Preiskategorie, um konstruktiven Leichtbau handelt, werden einige Bauteile betriebsfest mehr oder weniger weit oberhalb der Dauerfestigkeit ausgelegt. Die im normalen Betrieb auftretenden Schäden sind daher weit überwiegend Schwingbrüche. Andere Schadensmechanismen wie z.B. Korrosion spielen quantitativ eine untergeordnete Rolle. Schwingbrüche treten nach einer Periode unbemerkten Risswachstums oft ohne Vorwarnung und ohne makroskopische Verformung auf. Im Falle von sicherheitsrelevanten Komponenten wie Rahmen, Gabeln, Lenkern, Sattelstützen, Kurbelarmen oder Pedalen kann dies zu erheblichen Personenschäden führen, die den Wert des ursächlichen Bauteilschadens weit überschreiten.
Über einen langjährigen Zeitraum wurden gebrochene Komponenten aus dem Alltag und aus Gerichtsverfahren analysiert. Das Hauptaugenmerk lag hierbei auf der fraktographischen Analyse, teilweise wurden die zu Grunde liegenden Schadensursachen ermittelt. Einflussfaktoren sind beispielsweise konstruktive Kerben an ungünstigen Stellen, aber auch Werkstoffwahl und Fertigungsqualität spielen eine Rolle. In den meisten Fällen wurde jedoch die konstruktive Lebensdauer überschritten. Diese wird praktisch nie mitgeteilt, und eine wiederkehrende Prüfung sicherheitsrelevanter Bauteile findet nicht statt.
Im Sinne der Vermeidung von Schäden und Unfällen könnte darauf hingewirkt werden, für sicherheitsrelevante Komponenten Lebensdauern besser abzuschätzen und von der Laufleistung abhängige Sichtprüfungen zu empfehlen.
Komponenten von Fahrrädern werden im Betrieb vorwiegend schwingend beansprucht. Typische Werkstoffe sind Stahl, Aluminiumlegierungen, Messing, CFK und thermoplastische Kunststoffe. Da es sich, unabhängig von der Preiskategorie, um konstruktiven Leichtbau handelt, werden einige Bauteile betriebsfest mehr oder weniger weit oberhalb der Dauerfestigkeit ausgelegt. Die im normalen Betrieb auftretenden Schäden sind daher weit überwiegend Schwingbrüche. Andere Schadensmechanismen wie z.B. Korrosion spielen quantitativ eine untergeordnete Rolle. Schwingbrüche treten nach einer Periode unbemerkten Risswachstums oft ohne Vorwarnung und ohne makroskopische Verformung auf. Im Falle von sicherheitsrelevanten Komponenten wie Rahmen, Gabeln, Lenkern, Sattelstützen, Kurbelarmen oder Pedalen kann dies zu erheblichen Personenschäden führen, die den Wert des ursächlichen Bauteilschadens weit überschreiten.
Über einen langjährigen Zeitraum wurden gebrochene Komponenten aus dem Alltag und aus Gerichtsverfahren analysiert. Das Hauptaugenmerk lag hierbei auf der fraktographischen Analyse, teilweise wurden die zu Grunde liegenden Schadensursachen ermittelt. Einflussfaktoren sind beispielsweise konstruktive Kerben an ungünstigen Stellen, aber auch Werkstoffwahl und Fertigungsqualität spielen eine Rolle. In den meisten Fällen wurde jedoch die konstruktive Lebensdauer überschritten. Diese wird praktisch nie mitgeteilt, und eine wiederkehrende Prüfung sicherheitsrelevanter Bauteile findet nicht statt.
Im Sinne der Vermeidung von Schäden und Unfällen könnte darauf hingewirkt werden, für sicherheitsrelevante Komponenten Lebensdauern besser abzuschätzen und von der Laufleistung abhängige Sichtprüfungen zu empfehlen.
Influence of deposition hatch length on residual stress in selective laser melted Inconel 718
(2018)
The present study aims to evaluate the bulk residual stresses in SLM parts by using neutron diffraction measurements performed at E3 line -BER II neutron reactor- of Helmholtz-Zentrum für Materialien und Energie (HZB) Berlin. Together with microstructure characterization and distortion measurements, it is possible to describe the stress state throughout the whole sample. The sample was measured in as-build condition (on a build plate) and after releasing from the build plate. The used material is the nickel based superalloy 718. This alloy is widely used in aerospace and chemical industries due to its superior corrosion and heat resistant properties.
Obtained results indicated different residual stress states for each of the transversal, longitudinal and normal component. The normal and transversal component exhibits a rather compressive behavior while the longitudinal was tensile in the center part of the sample and became compressive towards the tip. As expected, the absolute values of all stress components decreased after releasing the sample from the building plate. A surface scan utilizing a coordinate-measuring machine (CMM) allowed us to present top surface distortion before and after releasing. The top surface showed a distortion around ±80µm after releasing. Microstructure evolution in the scanning-building cross-section is largely dominated by columnar grains. In addition, many small random orientated grains are prominent in the regions of a laser overlap during SLM.
In summary, for the sample of superalloy 718 manufactured by SLM, a small distortion occurred when removing the sample from the build plate whereby the residual stress state decreases. Moreover, the observed columnar grains in the building direction could give a reason for the lowest stress values in that normal direction. However, the most important parameter controlling the residual stresses is the temperature gradient. Hence, future investigations are planned for a different scan strategy to distribute the laser impact in a more homogenous manner.
Due to the increasing global demand for pure silver, native wire silver aggregates in very high purities are gaining more industrial attention. Up to the present, no substantial metallurgical Investigation of natural wire silver exists in the accessible literature. To convey urgently needed cross-disciplinary fundamental knowledge for geoscientists and metallurgical engineers, twenty natural wire silver specimens from eight different ore deposits have been investigated in detail for the first time by EBSD (Electron Back Scattering Diffraction), supported by light microscopy and micro-probe analyses. The improved understanding of the natural silver wire microstructure provides additional Information regarding the growth of natural silver aggregates in comparison to undesired artificial growth on electronic devices. Clear evidence is provided that natural silver curls and hairs exhibit a polycrystalline face-centered cubic microstructure associated with significant twinning. Although the investigated natural wire silver samples have relatively high purity (Ag > 99.7 wt.-%), they contain a variety of trace elements such as, S, Cu, Mn, Ni, Zn, Co and Bi, As and Sb. Additionally, Vickers micro-hardness measurements are provided for the first time which revealed that natural silver wires and curls are softer than it might be expected from conversion of the general Mohs hardness of 2.7.
The underlying cause of mechanical anisotropy in additively manufactured (AM) parts is not yet fully understood and has been attributed to several different factors like microstructural defects, residual stresses, melt pool boundaries, crystallographic and morphological textures. To better understand the main contributing factor to the mechanical anisotropy of AM stainless steel 316L, bulk specimens were fabricated via laser powder bed fusion (LPBF). Tensile specimens were machined from these AM bulk materials for three different inclinations: 0◦, 45◦, and 90◦ relative to the build plate. Dynamic Young’s modulus measurements and tensile tests were used to determine the mechanical anisotropy. Some tensile specimens were also subjected to residual stress measurement via neutron diffraction, porosity determination with X-ray micro-computed tomography (μCT), and texture analysis with electron backscatter diffraction (EBSD). These investigations revealed that the specimens exhibited near full density and the detected defects were spherical. Furthermore, the residual stresses in the loading direction were between −74 ± 24 MPa and 137 ± 20 MPa, and the EBSD measurements showed a preferential ⟨110⟩ orientation parallel to the build direction. A crystal plasticity model was used to analyze the elastic anisotropy and the anisotropic yield behavior of the AM specimens, and it was able to capture and predict the experimental behavior accurately. Overall, it was shown that the mechanical anisotropy of the tested specimens was mainly influenced by the crystallographic texture.
An overview of the BAM funed Focus Area Materials Project "AGIL" will be presented. AGIL focussed on the stdiy of the ageing characteristics of additively manufactured austenitic stainless steel with a "powder to mechanical failure" Approach. Recent Highlights are presented and a perspective for future studies.
Laser powder bed fusion (LPBF) is an additive manufacturing process for materials which inherently tends to yield various degrees of metastable hierarchical microstructures, defects and high residual stresses in the as-built condition depending on the process parameters. The understanding of the evolution of these typical features during heat treatment and subsequent thermal and mechanical ageing is crucial for the wider acceptance for safety critical structures. A multi-disciplinary research project at BAM studying the development of the microstructure, defects, residual stresses typical of LPBF 316L and their evolution during thermal and mechanical ageing has led to insights into the stability of these inherent features. This presentation aims to give a broad overview of the project with a few specific cases of investigation. Firstly, the formation of residual stresses, the nature of the initial microstructure, the tensile properties and a modelling approach to understand the anisotropy will be presented. This will be followed by examples of studies of their evolution during heat treatment, long term thermal exposure, and room temperature and high temperature mechanical testing compared to a baseline of conventional wrought variant of the same alloy.
Metal Additive Manufacturing (AM) technologies such as Laser Powder Bed Fusion (LPBF) are characterized by layer wise construction, which enable advancements of component design, with associated potential gains in performance and efficiency. However, high magnitude residual stresses (RS) are often a product of the rapid thermal cycles typical of the layerwise process. Therefore, a deep understanding of the formation of RS, the influence of process parameters on their magnitude and the impact on mechanical performance is crucial for widespread application. The experimental characterisation of these RS is essential for safety related engineering application and supports the development of reliable numerical models. Diffraction-based methods for RS analysis using neutrons and high energy X-rays enable non-destructive spatially resolved characterisation of both surface and bulk residual stresses in complex components. This presentation will provide an overview of recent research by the BAM at large scale facilities for the characterization of residual stresses in LPBF metallic alloys as a function of process parameters. In addition, the challenges posed by the textured and hierarchical microstructures of LPBF materials on diffraction-based RS analysis in AM materials will be discussed. This will include the question of the d0 reference lattice spacing and the appropriate choice of the diffraction elastic constants (DECs) to calculate the level of RS in LPBF manufactured alloys.
Entwicklung der Mikrostruktur der mechanischen Eigenschaften und der Eigenspannungen in L-PBF 316L
(2022)
Die additive Fertigung (AM) metallischer Werkstoffe mittels Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) ermöglicht einzigartige hierarchische Mikrostrukturen, die zu Verbesserungen bestimmter mechanischer Eigenschaften gegenüber konventionell hergestellten Varianten derselben Legierung führen können. Allerdings ist das L-PBF-Verfahren häufig durch das Vorhandensein hoher Eigenspannungen gekennzeichnet, die es zu verstehen und zu mindern gilt. Daher ist das Verständnis der Mikrostrukturen, der Eigenspannungen und der daraus resultierenden mechanischen Eigenschaften entscheidend für eine breite Akzeptanz bei sicherheitskritischen Anwendungen. Die BAM hat ein multidisziplinäres Forschungsprogramm gestartet, um diese Aspekte bei LPBF 316L zu untersuchen. Der vorliegende Beitrag stellt einige der wichtigsten Ergebnisse vor: der Einfluss von Prozessparametern auf die Mikrostruktur, der Einfluss von Mikrostruktur und Textur auf die Festigkeit, Kriechverhalten und Schädigung und die Stabilität von Eigenspannungen und Mikrostruktur unter Wärmebehandlungsbedingungen.
The impact of the microstructure of Fe-16Cr-0.2C on high-temperature oxidation – sulphidation in SO2
(2021)
This study elucidates the impact of the microstructure of Fe-16Cr-0.2C on oxide layer formation at 650 ◦C in Ar-0.5 % SO2. A cold-rolled and two heat-treated states of the alloy were exposed for up to 1000 h. The samples were characterised in detail from microstructural and chemical perspectives using scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD) and time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS). The microstructural modification of the alloy by heat-treatment was advantageous. It was found that Cr-carbides support chromia formation and reduce sulphidation when their area fraction is low and diameter is small.
The presentation shows the results of high cycle fatigue (HCF) tests from the aluminium alloy EN AW-2618A. This study investigates the mean stress influence in the T61 condition and the effect of overaging. For this purpose, axial HCF tests were carried out at room temperature and different stress ratios (R=-1, R=0.1) as well as with overaged conditions (T61+10h@230°C, T61+1000h@230°C). After completion of the tests, the fracture surfaces were examined to study crack initiation.
Fatigue tests were performed on the forged aluminum alloy EN AW-2618A in the T61 state. Different stress ratios (R = -1, R = 0.1) were selected to study the influence of mean stress on fatigue life. Two overaged states (10 h/230 ◦C, 1000 h/230 ◦C) were also tested to investigate the influence of overaging on fatigue life. Transmission electron microscopy (TEM) was used to characterize the precipitates (S-phase), which are mainly responsible for the strength of the alloy. A fractographic analysis was also performed to determine the failure mode. Overaging reduces the fatigue life compared to the T61 state. The longer the aging time, the lower the fatigue resistance. The reason is the decrease in (yield) strength, which correlates with the radius of the S-phase: the precipitate radius increases by a factor of approximately two for the overaged states compared to the initial state. The analysis of the fracture surfaces showed crack initiation occurs predominantly on the outer surface and is
associated with the primary phases.