5 Werkstofftechnik
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With an increasing demand in more efficient fuel consumption to reduce CO2 emissions, weight reductions in high-temperature materials at affordable costs gain increasing attention. One potential candidate is the intermetallic material class of iron aluminides, combining the advantages in mass savings, high temperature performance and recyclability of resources. The alloy Fe-26Al-4Mo-0.5Ti-1B was selected to study the microstructural features evolving from two casting processes, five wall thicknesses and three final conditions. Conclusions are drawn upon the correlations of processing variables, grain sizes and hardness.
Diese Untersuchung beschäftigt sich mit der Charakterisierung von Kurzrisswachstum in mittels Laser-Pulverbett-Verschmelzen (LPBF - Laser Powder Bed Fusion) hergestelltem rostfreien austenitischen Stahl. Spezifischer wird die Ermittlung zyklischer R-Kurven untersucht. Diese beschreiben den Aufbau des Widerstands gegen Ermüdungsrisswachstum - d.h. des Schwellenwertes - aufgrund von Rissschließeffekten bei physikalisch kurzen Rissen. Mit Hilfe der zyklischen R-Kurven kann die Fähigkeit eines Bauteils, physikalisch kurze Risse zu arretieren, charakterisiert werden. Wir verfügen damit über eine Schnittstelle zwischen klassischer Ermüdung und Bruchmechanik. Das ist gerade auch für additiv gefertigte (AM – Additive Manufacturing) Materialien von Interesse. Diese weisen prozessintrinsische Defekte auf, die als Initiierungsstellen kurzer Ermüdungsrisse agieren. Im Rahmen der experimentellen Untersuchungen wurden zyklische R-Kurven für konventionellen und LPBF AISI-316L-Stahl ermittelt. Insbesondere wurde der Einfluss verschiedener Wärmebehandlungen (WB1: 450°C, WB2: 800°C und WB3: 900°C) auf das Wachstumsverhalten physikalisch kurzer Risse im LPBF-Material untersucht. Aufgrund hoher Eigenspannungen war die Ermittlung des Kurzrisswachstumsverhaltens bei WB1 nicht möglich. Für WB2 und WB3 ergaben sich sehr unterschiedliche zyklische R-Kurven. Untersuchungen der Eigenspannungen, der Bruchfläche (insbesondere der Rauheit) und der Mikrostruktur sollen die Ursachen für das unterschiedliche Verhalten erklären. Die Ergebnisse werden mit den Verhältnissen in konventionellem Material verglichen.
Additive manufacturing (AM) processes allow a high level of freedom in designing and producing components for complex structures. They offer the possibility of a significant reduction of the process chain. However, the large number of process parameters influence the structure and the behavior of AM parts. A thorough understanding of the interdependent mechanisms is necessary for the reliable design and production of safe AM parts.
In this presentation we discuss the online monitoring of metallic AM parts produced by the Laser Powder Bed Fusion (LPBF) process by using optical, thermographic and electromagnetic methods. In a first approach we present the detection of defects generated during the process and discuss how to improve these methods for the optimization of design and production of metallic AM parts.
Latente Wärmspeicher auf der Basis von NaCl-KCl-MgCl2 Mischungen stellen eine kostengünstige Option für die Energiespeicherung von Prozesswärme dar. Der Beitrag gibt einen Überblick über die materialwissenschaftlichen Herausforderungen im System Salz-Legierung, welche gelöst werden müssen, um diese Speichertechnologie industriell zu etablieren.
The high-temperature corrosion behavior of the medium-entropy alloy Cr33Co33Ni33 (MEA) and the high-entropy alloy Fe20Cr20Co20Ni20Mn20 (HEA) in a mixed gas atmosphere of 10% H2O-2% O2 -0.5% SO2 + Ar as carrier gas [Vol.%] at 800 °C with duration times of t = 24h, 48h and 96h was investigated. Both alloys have a single-phase fcc microstructure. The oxidation kinetics of the HEA-CrMnFeCoNi roughly followed a linear rate law and a slow oxide growth was observable for the MEA-CrCoNi. The scale thickness of the corrosion layer in the quinary alloy increased with exposure time, while the scale thickness in the ternary alloy remained constant at around 1 µm. The MEA-CrCoNi developed a protective Cr2O3 layer with minor buckled parts. Co,Ni-chromite (Co,Ni)Cr2O4 was detected by XRD in minor amounts. The scale on HEA-CrMnFeCoNi displayed a triplex structure of a thin, continuous, inner Cr2O3 layer, a dense, intermediate Mn3O4 layer, and a thick, outer, porous layer consisting of Mn3O4 and MnSO4. Sulphides were only identified in the matrix of HEA-CrMnFeCoNi. Thermodynamic equilibrium calculations with FactSage (Log(S2) vs. Log(O2), ΔG of reactions) are in good agreement with these observations. The intense diffusion of Cr in the ternary alloy leads to an immediate formation of a protective Cr2O3 layer. The fast diffusion of Mn through the bulk HEA material and through the formed Cr2O3 layer compared to the other alloying elements is considered as the rate-limiting process.
Ceramic springs combine attractive properties for applications in machinery, metrology, and sensor technology. They are electrically insulating, non-magnetic, provide a linear stress-strain behavior, and are stable at high temperatures and in corrosive environments. Generally, the precise dimensioning of a ceramic spring with respect to the spring constant is challenging. Different models are described, but many of these calculations do not match the actual spring properties. We demonstrate a reliable approach for the dimensioning and manufacturing of helical compression springs with a rectangular winding cross-section. Based on the German standard DIN 2090, which is referring to metallic springs, the spring constant can be calculated based on shear modulus, diameter, height, widths, and number of windings. Different ceramic springs were produced by milling of sintered hollow cylinders of zirconia, alumina and silicon nitride. The experimental spring constants are in very good agreement with the calculated values. Spring constants of zirconia springs were varied over three orders of magnitude between 0.02 N/mm and 5 N/mm by purposeful adaption of the spring geometry. The combination of dimensioning based on DIN 2090 and precise hard machining offers a reliable technology for the fabrication of tailored ceramic springs for special applications.
In diesem Beitrag werden am Beispiel von Gasturbinen Verfahren zur Charakterisierung des werkstoff-mechanischen Verhaltens sowie der Gefügeentwicklung von Bauteilen für Anwendungen bei hohen Temperaturen aufgezeigt. Gasturbinen sind technisch gesehen sehr interessante Systeme, die in der Energietechnik und in der Luftfahrt von hoher wirtschaftlicher Relevanz sind. Seit Jahrzehnten gelten Gasturbinen als klassische Innovationstreiber, für ihre Entwicklung wurden bereits maßgebliche Erneuerungen im Bereich der Aerodynamik und der Werkstofftechnik hervorgebracht.
Die Bereitstellung von zuverlässigen Werkstoffdaten stand für die Werkstoffprüfung seit dem 19. Jahrhundert in zentraler Stelle. Mit der zunehmender Digitalisierung unserer Gesellschaft gewinnt das Datenmanagement insbesondere im Hinblick auf die Modellierungs- und Simulationsaktivitäten an Bedeutung.
In unserem Beitrag beschreiben wir die gegenwärtigen Aktivitäten in Deutschland – insbesondere die NFDI-MatWerk und die BMBF-Initiative MaterialDigital – sowie in Europa und Übersee. Abschließend heben wir die Auswirkungen auf die technische und akademische Aus- und Weiterbildung.