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.
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.
The mechanical behavior of fiber reinforced composites with polymer matrix is governed by several mechanisms operating at different length scales. In this contribution we describe first non-destructive techniques which are adequate for the characterization of the fiber-matrix interphase at a microscopic level. In a second step we describe on a mesoscopic level the influence of manufacturing related elements on the mechanical properties of rotor blades for wind turbines. We concentrate on thermography, laminography and ultrasound in connection with mechanical testing systems. Finally we present methods for monitoring rotor blades by using embedded optical fibers.
Additively manufactured metallic materials have already started to find application in safety-relevant components. However, this has only happened for certain materials and specific applications and loading conditions, since there is still an extensive lack of knowledge as well as of historical data regarding their mechanical behaviour. This contribution aims to address this lack of understanding and historical data concerning the creep behaviour of the austenitic stainless steel 316L manufactured by Laser-Powder-Bed-Fusion (L-PBF) and the low-cycle-fatigue behaviour of the titanium alloy Ti-6Al-4V manufactured by Laser-Metal-Deposition (LMD). Furthermore, it aims to assess their mechanical behaviour against their conventional counterparts. With that in mind, specimens from conventional and additive materials are tested and their mechanical behaviour analysed based on characteristic curves. To understand the damage behaviours the materials are characterized by destructive and non-destructive techniques before and after failure.
Moderne Segelflugzeuge sind voll-verklebte tragende FKV-Strukturen. Über die Schwingfestigkeit der Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) und die Lebensdauerabschätzung dieser Werkstoffklasse auf Basis verschiedener Lastspektren wurden insbesondere von Christoph Kensche verschiedenen Arbeiten durchgeführt und auch auf dem Symposium für Segelflugzeugentwicklung vorgestellt. Hingegen ist die Betriebsfestigkeit von Struktur-Klebungen im Anwendungsbereich der CS22 vergleichsweise wenig untersucht worden.
Über die Jahre wurden in verschiedenen Projekten immer wieder Probleme in Struktur-Klebungen (u.a. Betriebsbelastungsversuche an Versuchs-Holmen) identifiziert, analysiert und spezielle Prüfverfahren weiter entwickelt (Projekt „Tragflügel neuer Technologie für die allgemeine Luftfahrt“, FK SIF765). Im Rahmen des LuFo-Vorhabens GeAviBoo (General Aviation Booster) wurde in zwei Arbeitspaketen das Thema erneut aufgegriffen und Betriebsbelastungsversuche an Klebproben durchgeführt. Im Rahmen des Vortrages werden die Erkenntnisse der letzten 10 Jahre aufbereitet und die neusten Ergebnisse vorgestellt.
Eine kritische Aufgabe im Rahmen der Etablierung von Prozess-Struktur-Eigenschafts-Performance-Beziehungen bei der additiven Fertigung (AM) von Metallen ist die Ermittlung von zuverlässigen und gut dokumentierten Kennwerten zum Materialverhalten sowie das Schaffen von Wissen über die Struktur-Eigenschafts-Korrelation. Schließlich ist dies die Grundlage für die Entwicklung gezielterer Prozessoptimierungen und zuverlässigerer Lebensdauer-Vorhersagen. In diesem Zusammenhang zielt dieser Beitrag darauf ab, Daten und Erkenntnisse über das Kriechverhalten des austenitischen Edelstahls 316L zu liefern, der mittels Laser-Powder-Bed-Fusion (L-PBF) hergestellt wird. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden Proben aus konventionellem warmgewalztem sowie AM-Material gemäß den bestehenden Normen für konventionelles Material geprüft und vor und nach dem Versagen mikrostrukturell charakterisiert. Die Probekörper wurden aus einzelnen Blöcken des AM-Materials gefertigt. Die Blöcke wurden mit einer Standard-Scan- und Aufbaustrategie hergestellt und anschließend wärmebehandelt. Das Kriechverhalten wird anhand der Kriechlebensdauer und ausgewählter Kriechkurven und Kennwerte beschrieben und vergleichend bewertet. Der Einfluss von Defekten und Mikrostruktur auf das Materialverhalten wird anhand von zerstörenden und zerstörungsfreien Auswertungen an ausgewählten Proben analysiert. Der AM-Werkstoff zeigt kürzere Kriechlebensdauern, erreicht das sekundäre Kriechstadium deutlich schneller und bei geringerer Dehnung und weist eine geringere Kriechduktilität im Vergleich zu seinem konventionellen Gegenstück auf. Das Kriechschädigungsverhalten des AM-Werkstoffs ist eher mikrostruktur- als defektgesteuert und ist durch die Bildung intergranularer Kriechrisse gekennzeichnet. Als kritische Merkmale werden die Versetzungsdichte sowie die Versprödung der Korngrenzen identifiziert. Die Mikro-Computertomographie (µCT) erweist sich als Alternative zur Metallographie, um die Kriechschädigung zu analysieren.
CALM is software for determining the Bravais lattice type and the resulting lattice parameters from a single Kikuchi pattern. It requires the definition of 4 bands and a single bandwidth from which all other band positions as well as bandwidths are derived. For band detection, it uses the Funk transform, which allows detection of twice as many bands as usual. CALM works for any symmetry and requires low-noise patterns of at least 320x240 pixels. The resulting errors are <2% even for such small patterns, assuming good quality. The relative errors are <0.5%. However, this requires a projection centre position best derived from a sample of a cubic phase in CALM. However, this must have been recorded under identical conditions. Hundreds of Kikuchi patterns of phases with different symmetries were examined.
Creep and fracture behavior of conventionally and additively manufactured stainless steel 316L
(2020)
A critical task within the frame of establishing process-structure-property-performance relationships in additive manufacturing (AM) of metals is producing reliable and well-documented material behavior’s data and knowledge regarding the structure-property correlation, including the role of defects. After all, it represents the basis for developing more targeted process optimizations and more reliable predictions of performance in the future. Within this context, this contribution aims to close the actual gap of limited historical data and knowledge concerning the creep behavior of the widely used austenitic stainless steel 316L, manufactured by Laser-Powder-Bed-Fusion (L-PBF). To address this objective, specimens from conventional hot-rolled and AM material were tested under application-relevant conditions according to existing standards for conventional material, and microstructurally characterized before and after failure. The test specimens were machined from single blocks from the AM material. The blocks were manufactured using a standard scan and build-up strategy and were subsequently heat-treated. The creep behavior is described and comparatively assessed based on the creep lifetime and selected creep curves and characteristic values. The effect of defects and microstructure on the material’s behavior is analyzed based on destructive and non-destructive evaluations on selected specimens. The AM material shows shorter creep lives, reaches the secondary creep stage much faster and at a lower strain, and features lower creep ductility compared to its conventional counterpart. The creep damage behavior of the AM material is more microstructure than defect controlled and is characterized by the formation and accumulation of single intergranular damage along the whole volume. Critical features identified are the grain morphology and the grain-boundary as well as the dislocation’s density. Micro-computed tomography (µCT) proves to be an alternative to metallography to analyze the creep damage.
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.