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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.
Ti-6Al-4V alloy is intensively used in the aerospace industry because of its high specific strength. However, the application of Laser Powder Bed Fusion (LPBF) Ti-6Al-4V alloy for structurally critical load-bearing components is limited. One of the main limiting factors affecting the structural integrity, are manufacturing defects. Additionally, the high cooling rates associated with LPBF process result in the formation of large residual stress (RS) with complex fields. Such RS can cause cracking and geometrical distortions of the part even right after production. Also, the microstructure of LPBF Ti-6Al-4V in the as-built condition is significantly different from that of the conventionally produced alloy. All these factors affect the mechanical behavior of the material. Therefore, to improve the material performance it is important to evaluate the individual effect of RS, defects, and microstructure on fatigue life. To this aim Ti-6Al-4V LPBF material in as-built condition and subjected to different post-processing, including two heat treatments (for stress relief and microstructural modification) and Hot Isostatic Pressing (HIP, for densification), were investigated.
Prior to Low Cycle Fatigue (LCF) tests at operating temperature (300°C), the microstructure (phases, crystallographic texture, and grain morphology), the mesostructure (defect shape and distribution), and subsurface RS on the LCF samples were investigated. It was found that the fatigue performance of HIPped samples is similar to that of conventionally produced Ti-6Al-4V. The tensile RS found at the surface of as-built samples decreased the fatigue life compared to heat-treated samples. Additionally, the modification of the microstructure (by heat treatment) did not affect the fatigue performance in the regime of mostly elastic strain. This shows that in the absence of tensile RS the manufacturing defects solely control the failure of LPBF components and densification has the strongest effect on the improvement of the mechanical performance.
Der Vortrag beleuchtet insbesondere die Herausforderungen die sich bei der Dispergierung der Nanopulver aufgrund der hohen Adhäsivkräfte ergeben. Die Bewertung der Probenpräparation ist nur indirekt zugänglich, aber essentiell für die Zuverlässigkeit der Messergebnisse. Anhand von Beispielen werden Lösungsvorschläge aufgezeigt. Der Vortrag schließt mit einem Vorschlag zur Strategie der Herangehensweise bei der Partikelgrößenbestimmung von Nanopulvern.
Mit der Initiative MaterialDigital fördert das BMBF seit dem letzten Jahr ein wichtiges Instrument zur Digitalisierung der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik in Deutschland. In der ersten Phase dieser Initiative wird seit Juli 2019 die Plattform MaterialDigital von einem Konsortium aufgestellt. Ziel dieser Plattform ist der Aufbau eines virtuellen Materialdatenraums, um zusammen mit allen Interessenten die Systematisierung des Umgangs mit Werkstoffdaten voranzutreiben. In einer zweiten Phase werden akademische F&E-Projekte voraussichtlich Anfang 2021 gefördert. In jedem dieser Projekte wird an einer konkreten Fragestellung das Themenfeld „Digitalisierung der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik“ adressiert und multidisziplinär bearbeitet. In einer dritten Phase werden im Rahmen industriegeführter vorwettbewerblicher Verbundprojekte mit der gleichen Zielsetzung gefördert.
Fracture mechanics is a key to fatigue assessment in AM metal components. Short fatigue cracks are initiated at defects and pronounced surface roughness intrinsic to AM. The subsequent crack-propagation is strongly influenced by microstructural interactions and the build-up of crack-closure. The aim of the present study is to give an insight into short-crack propagation in AM-metals. Fatigue crack propagation resistance curves were determined experimentally for AISI 316L manufactured by Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) which was heat treated at three different temperatures. Differences in the build-up of the fatigue-crack propagation threshold in between the L-PBF specimens and compared to wrought material are due to the residual stress states, a pronounced roughness of the crack-faces in the L-PBF specimens and phase transformation in the vicinity of the crack-tip, resulting in increased crack-closure. This, together with crack-branching found along the crack path, enhances the resistance to the propagation of fatigue cracks.
The importance of high-entropy alloy (HEAs) in the field of materials research is increasing continuously and numerous studies have been published, recently. These are mainly focused on manufacturing of different alloy systems having excellent structural properties from low to high temperatures. Therefore, HEAs are of high potential for many applications in very demanding conditions. However, this is so far limited by poor knowledge and experience regarding economic and reliable component manufacturing. The processability of HEAs has hardly been investigated so far, indicated by the small number of publications worldwide: welding <30 and machining <5.
Hence, this contribution provides an overview about the current state of the art on processing of HEAs. Fundamental principles are shown for safe weld joints while ensuring high component integrity. For safe welding, the combined consideration of complex interactions of material, construction and process is necessary. Recent studies on different HEAs showed the influence of heat input by means of different welding processes on the microstructure and respective properties. Based on intensive literature survey and on our initial study, the main research objectives of processing HEAs are presented.
Carbon Capture Utilization and Storage (CCUS) is a promising technology to reach the target for reduction of CO2 emissions. Crucial points for a sustainable and future-proof CCUS system are reliability and cost efficiency of the whole process chain, including separation of CO2 from the source, compression of CO2, its subsequent transportation to the injection site and injection into geological formations, e.g. aquifers. Recent studies have shown that even at a very low concentration of impurities, condensation of sulfuric and nitric acids in dense phase CO2 are possible and observable. Thus, impact of impure CO2 stream toward corrosion susceptibility of materials to be used in CCUS system need to be considered. In this talk, basing on results achieved from two German long-term projects (COORAL and CLUSTER), the dominating impurities of the CO2 stream and corrosion mechanisms are addressed. Investigations cover the whole CCUS process chain and provide a material recommendation for certain parts.
The high-entropy alloy (HEA) CrMnFeCoNi and the medium-entropy alloy (MEA) CrCoNi with a face-centered cubic (fcc) structure have excellent mechanical properties and are considered for high-temperature applications. Both materials were exposed under several oxidized atmospheres in a wide temperature range/regime. Mn-oxide (Mn3O4, Mn2O3) was mainly formed on the HEA and Cr2O3 on the MEA. The fast diffusion of manganese prevents the formation of a continuous chromia layer on CrMnFeCoNi in Ar-O2, Ar-H2O and Ar-SO2 at 800°C.
The Cantor alloy and his ternary subsystem CrCoNi were exposed in Ar-O2-H2O-SO2 at 800°C up to 96 h to clarify their oxidation behavior in a mixed atmosphere. The oxidized samples were analyzed by weight measurement, scanning electron microscopy (SEM), and X-ray diffraction analysis (XRD). It was found that mass gain of all samples increased with increasing exposure time. The oxidation rate of the Cantor alloy is significantly higher than that of the ternary alloy system.
Recherche verschiedener jeweils nationaler/internationaler Regelwerke
und Prozeduren für die Systematische Schadensanalyse
• Literaturrecherche zu Methoden der systematischen interdisziplinären Schadensanalyse
• Vergleich der Regelwerke VDI 3822, ASTM, ASM sowie der Methoden
• Anwendung der Regelwerke/Prozeduren und Methoden am Beispiel
Trace elements W and Hf have different influence on the microstructure and the mechanical properties when added to the Al10Co25Cr8Fe15Ni36Ti6 compositionally complex alloy. The addition of both can thus merge both element’s beneficial influences when combined with the appropriate heat treatment: Hf enhances the cubicity of the γ’ particles in the γ matrix while the W reduces the negative influence of the Heusler phase: this phase can be completely dissolved when W is present in the alloy.
A summery of previous research regarding surface crystallization is given as well as results regarding thecurrent DFG project are presented.
Der weit verbreitete austenitische Stahl 316L soll auch mittels additiver Fertigung verarbeitet werden (316L-AM). Zur Entwicklung optimaler Aufbauverfahren ist ein detailliertes Verständnis des Gefüges notwendig. Das additiv aufgebaute Gefüge zeigt eine Mikrostruktur, die geprägt ist von sehr hohen Abkühlraten und gerichtetem Kornwachstum. Mittels klassischer Metallographie können die Charakteristika des Gefüges wie Körner, Subkörner und Schmelzlinien sichtbar gemacht werden. Mittels EBSD werden Kristallorientierungen ermittelt und bildhaft aufbereitet. Die Feinstruktur der Körner wird im REM in der Übersicht aufgelöst. Erst im TEM kann bei hoher Vergrößerung die Natur der Zellstruktur quantitativ ermittelt werden.
High conductive silver-glass-metallization-pastes are key components in photovoltaics and advanced microelectronics. However, the underlying mechanisms of liquid phase sintering as silver dissolution, diffusion and reprecipitation are poorly understood so far.
In the current work, the influence of different network modifier in alkali-zinc-borate paste-glasses on liquid phase sintering of silver-glass-composites was studied. Therefore, silver-glass-composites containing 30 vol% glass were prepared, using low melting X2O-ZnO-B2O3 glasses with X = Na, Li, and Rb (NZB, LZB, and RZB). Glass transition temperature, viscosity, glass-silver wetting, crystallization and sintering behavior was studied by means of thermal analysis, dilatometry, heating microscopy and microscopy.
Similar glass transition temperatures of 450 °C (RZB), 460 °C (LZB) and 465 °C (NZB) were found by means of thermal analysis for glasses under study. Also, all glasses have a similar crystallization onset at about 550 °C, even though exhibiting with a different degree of crystallization.
Despite these similarities, however, the sintering behavior, measured in terms of area shrinkage, significantly differs for the composites. This finding indicates a different degree of silver dissolution. Assuming that dissolved silver reduces the viscosity, this effect could explain why glass crystallization starts at lower temperature in the composites. For example, the crystallization peak of LZB at 629 °C measured for pure glass powder compacts was decreased to 586 °C for the composite. Confirmatively, microstructure analyses indicate different degrees of silver dissolution, as e.g. revealed by different amount of silver precipitates within the residual glass phase, and reprecipitation. Best silver dissolution appeared for the RZB glass. Nevertheless, the final densification of RZB was retarded probably due to swelling and crystallization.