5 Werkstofftechnik
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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.
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.
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.
Turbine blades often contain cylindric holes used to generate an air film that protects the blade alloy from the hot gases. These cooling holes of diameter around one mm are drilled by laser through the thickness of the blades. Unfortunately, the resulting stress concentration and the drilling-induced damage are known to favor crack initiation from the holes. It is thus necessary to assess the impact of these cooling holes on the structural integrity of the blades. Since cracks initiate very readily, the fatigue life of the components is mainly controlled by the propagation of the cracks in the stress gradient induced by the holes.
For this purpose, displacement controlled high-temperature LCF (Low-Cycle-Fatigue) tests were performed with center hole specimens of a coarse-grained Nickel base Superalloy. The tests were stopped after a defined load drop. In addition, crack propagation tests with Double Edge Notch specimens were performed. Moreover, specimens with different hole surface finishes were investigated, which showed a detrimental effect of the hole surface roughness. In parallel, an evaluation of the LCF tests based on a fracture mechanics-based model (Madia et al., Eng. Fract. Mech., 2018) has been applied. Thereby, the specimen life is controlled by the crack propagation time until failure. Crack growth is controlled by a modified NASGRO equation accounting for large-scale yielding and a progressive build-up of crack closure. The initial crack size has been derived from the measurements of defects around the borehole. A reasonable agreement between predicted and measured lifetimes is observed if one keeps in mind the large uncertainty regarding the effective shape of the cracks.
The scatter of fatigue crack growth data can become significant for coarse grained materials. By using a probabilistic description of crack propagation as the foundation of a lifetime prediction model, lifetime scatter of laboratory specimens can be reproduced. However, the lifetime of real components is subjected to additional scattering factors such as surface condition or uncertainty regarding direction and shape of emerging cracks. These factors need to be addressed in order to exploit the advantages of probabilistic description, i.e. the reduction of unnecessary conservatisms.
High temperature LCF (Low-Cycle-Fatigue) tests were performed with center hole specimens of a coarse-grained Nickel base Superalloy. In addition, crack propagation tests with Double Edge Notch specimens were performed. A procedure to detect the shape of the starting crack that combines the potential drop method and induction thermography was developed. The geometry and the number of notches were varied. Moreover, specimen with different hole surface finishes were investigated, which showed a detrimental effect of the roughness of the hole surface.
The results have been compared to predictions of a probabilistic tool for the estimation of lcf lifetime that has been calibrated beforehand on laboratory specimens with and without notches. In parallel, a fracture mechanics-based lifetime model was developed, which includes the initial crack size as a critical parameter. Thereby, the influence of the large grain size (>1mm), and the shape of the starting crack at the notch were considered.
Acknowledgements
The investigations are conducted as part of the joint research program COOREFLEX-Turbo in the frame of AG Turbo. The work is supported by Siemens AG and the Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) as per resolution of the German Federal Parliament under grant number 03ET7071E.
The finite element software ProCrackPlast is developed for the automated simulation of fatigue crack growth in arbitrarily loaded three-dimensional components with large scale plastic deformations, in particular under cyclic thermomechanical (TMF) loading.
ProCrackPlast is developed by extending the software Procrack, created at TU Freiberg for linear-elastic crack growth simulations. The pre-processing, FEM analysis, and the post-processing in ProCrackPlast are done by the commercial software ABAQUS. ProCrackPlast resorts to a crack growth procedure which adaptively updates the crack in finite increments based on the fracture-mechanical parameter, cyclic crack tip opening displacement ΔCTOD . Features of this software along with two application examples of fatigue crack growth in a typical cast steel, Ni-Resist, are presented in this paper to show its capability and performance.
The large number of TEM investigations and the regular microstructure
of single-crystal nickel-base superalloys has boosted the development of a number of physically motivated constitutive laws. In contrast to the more phenomenological models discussed in the next chapter, these models use dislocation densities as internal variables. Obvious advantages are that the computed densities can be compared to TEM observations and the Deformation mechanisms can be easier translated into mathematical equations.
The elastic constants are the most basic mechanical properties of a material and are needed for any structural analysis of a component. For example, they have a major influence on the eigenfrequencies of vibrating parts. Single crystals of Ni-base superalloys are strongly anisotropic, which means that the observed properties are orientation dependent. Tensor algebra is then required to mathematically formulate the elastic properties and their relations to the crystal orientation. Hence, this chapter first summarizes some basic definitions and calculation rules for Rotation matrices, including the definition of the Euler angles, which are most commonly used to define the relative orientations of the crystal and the component. Parts of this chapter closely follow the lines of the excellent exposition of the topic by Olschewski.
The cyclic crack tip opening displacement ΔCTOD is a promising loading Parameter to quantify the crack propagation under thermomechanical fatigue (TMF). In this work, suitable techniques are investigated and compared for an accurate calculation of ΔCTOD under TMF loading using a viscoplastic temperature dependent material model.
It turned out that collapsed special crack tip elements give the best results. An efficient FEM-technique is developed to simulate the incremental crack growth by successive remeshing, whereby the deformations and internal state variables are mapped from the old mesh onto the new one. The developed techniques are demonstrated and discussed for two-dimensional examples like TMF-specimens. Recommendations are made regarding important numerical control parameters like optimal size of crack tip elements, length of crack growth increment in relation to plastic zone size and ΔCTOD value.
Mit Hilfe des HIP-Verfahrens („Hot Isostatic Pressing“) werden Poren in der einkristallinen Nickel-Basis Superlegierung CMSX-4 kontinuierlich geschrumpft und dadurch die nach der Erstarrung und der Wärmebehandlung vorhandene Porosität stark reduziert. In diesem Beitrag werden experimentelle und numerische Untersuchungen zu den Mechanismen der Porenschrumpfung zusammengefasst. Es zeigt sich, dass das Verformungsverhalten während Kriechversuchen bei der HIP-Temperatur durch Versetzungsgleitung auf oktaedrischen Ebenen dominiert wird.
Dagegen zeigen Messungen der Porositätsabnahme und Simulationen des Porenschließens, dass die Kinetik der Porenschrumpfung durch das Phänomen der Leerstellendiffusion zwischen Poren und Kleinwinkelkorngrenzen („Low Angle Boundary“, LAB) bestimmt wird. Im Gegensatz führt die klassische Kristallviskoplastizität zu einer systematischen Überschätzung dieser Kinetik. Der scheinbare Widerspruch lässt sich auflösen, wenn man bedenkt, dass auf der Skala der Poren Versetzungsquellen nicht gleichmäßig verteilt sind, wie in der konventionellen Kristallplastizität implizit angenommen wird. Stattdessen wird in einem weiterführenden Modell davon ausgegangen, das Kleinwinkelkorngrenzen (LABs) als Versetzungsquellen fungieren, während die Scherspannungen sehr stark in der Nähe der Poren lokalisiert sind, was die Emission von Versetzungen deutlich reduziert.