5 Werkstofftechnik
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Konventionelle und innovative Hochtemperaturwerkstoffe sind im technischen Betrieb einer Vielzahl an Belastungen ausgesetzt. Neben mechanischen Beanspruchungen stellt die chemische Belastung durch das Vorhandensein von aggressiven und korrosiven Medien (SO2, CO2, O2, H2O…) bei hoher Temperatur einen Schlüsselfaktor dar, der die Langlebigkeit der Materialien im Einsatz beeinflusst. Neben konventionellen, mikroskopischen Analyseverfahren bieten röntgenbasierte Techniken Möglichkeiten, die Grenzflächenreaktionen zwischen dem Werkstoff und den Medien während der chemischen Belastung (in situ) zu untersuchen. Neuartige Einblicke in die zugrunde liegenden Prozesse der Schädigungsmechanismen werden anhand von klassischen ferritischen Legierungen beschrieben. Das Verständnis von Schlüsselfaktoren zur Induzierung eines Schutzmechanismus ist insbesondere für die Entwicklung von neuartigen Materialklassen wie Hochentropie- und chemisch komplexe Legierungen notwendig. Erste Einblicke in Schädigungsmechanismen durch Gaskorrosion dieser innovativen Materialsysteme werden vorgestellt.
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.
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.
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.
Die Strukturierung keramischer Grünfolien und Laminate ist ein wesentlicher Prozessschritt in der keramischen Multilayer-Technologie und begründet die funktionelle Vielfalt keramischer Multilayer. Benötigt wird die Grünbearbeitung für die Herstellung elektrischer und thermischer Vias sowie innerer Kavitäten und Kanäle für Transport und Lagerung von Gasen und Flüssigkeiten in hochintegrierten Schaltungsträgern, Sensoren und Reaktoren. Standardverfahren in der industriellen Fertigung sind Heißschneiden, Stanzen und Laserbearbeitung. Darüber hinaus werden auch Bohren, Fräsen, Sägen und Heißprägen verwendet. Über die Erprobung weiterer Verfahren wie Wasserstrahlschneiden, Dampfstrahlätzen und Powder Blasting wird in der Literatur berichtet.
Im Vortrag werden spezifische Vor- und Nachteile der eingesetzten Verfahren beleuchtet. Abschließend werden die Kriterien für die Auswahl des optimalen Strukturierungsverfahrens diskutiert. Zusammensetzung und Gefüge sowie die dadurch bedingten mechanischen und thermomechanischen Eigenschaften sowie das Absorptionsverhalten von Grünfolien sind sehr unterschiedlich. Daraus resultieren unterschiedliche optimale Bearbeitbarkeitsparameter.
Determination of Distribution Function used in MCS on Safety Analysis of Hydrogen Pressure Vessel
(2019)
The test data of static burst strength and load cycle strength of composite pressure vessels are often described by GAUSSian normal or WEIBULL distribution function to perform safety analyses. The goodness of assumed distribution function plays a significant role in the inferential statistics to predict the population properties by using limited test data. Often, GAUSSian and WEIBULL probability nets are empirical methods used to validate the distribution function; Anderson-Darling and KolmogorovSmirnov tests are the mostly favorable approaches for Goodness of Fit. However, the different approaches used to determine the parameters of distribution function lead mostly to different conclusions for safety assessments. In this study, six different methods are investigated to show the variations on the rates for accepting the composite pressure vessels according to GTR No. 13 life test procedure. The six methods are: a) NormLog based method, b) Least squares regression, c) Weighted least squares regression, d) A linear approach based on good linear unbiased estimators, e) Maximum likelihood estimation and f) The method of moments estimation. In addition, various approaches of ranking function are considered. In the study, Monte Carlo simulations are conducted to generate basic populations based on the distribution functions which are determined using different methods. Then the samples are extracted randomly from a population and evaluated to obtain acceptance rate. Here, the “populations” and “samples” are corresponding to the burst strength or load cycle strength of the pressure vessels made from composite material and a plastic liner (type 4) for the storage of hydrogen. To the end, the results are discussed, and the best reliable methods are proposed.
Are we ready for putting a human footprint on Mars? Obviously, it is possible to send technologically challenging missions to our earth neighbors with a high level of complexity, such as enabling autonomous planetary mobility. As humanity contemplates mounting manned missions to Mars, strategies need to be developed for the design and operation of hospitable environments safely working in space for years. Humans require water and air provided by complicated equipment. Its safe operation is a great challenge and implies being prepared for all eventualities. Instead of foreseeing and preparing for all possible scenarios of machine failures and accidents, it appears logic taking advantage of the flexibility of humans and providing essential equipment for the reaction on critical situations. The supply of spare parts for repair and replacement of lost equipment would be one key pillar of such a strategy. Bearing in mind the absolute distance and flight trajectories for manned missions to Mars, supplying spare parts from Earth is impossible. Thus, in space manufacturing remains the only option for a timely supply. With a high flexibility in design and the ability to manufacture ready to use components directly from a computer aided model, additive manufacturing technologies appear extremely attractive. For metal parts manufacturing the Laser Beam Melting process is the most widely used additive manufacturing process in industrial application. However, envisioning the handling of metal powders in the absence of gravitation is one prerequisite for its successful application in space. A gas flow throughout the powder bed has been successfully applied to compensate for missing gravitational forces in micro gravity experiments. The so-called Gas Flow Assisted Powder Deposition is based on a porous building platform acting as a filter for the fixation of metal particles in a gas flow driven by a pressure difference maintained by a vacuum pump.
Are we ready for putting a human footprint on Mars? Obviously, it is possible to send technologically challenging missions to our earth neighbors with a high level of complexity, such as enabling autonomous planetary mobility. As humanity contemplates mounting manned missions to Mars, strategies need to be developed for the design and operation of hospitable environments safely working in space for years. Humans require water and air provided by complicated equipment. Its safe operation is a great challenge and implies being prepared for all eventualities. Instead of foreseeing and preparing for all possible scenarios of machine failures and accidents, it appears logic taking advantage of the flexibility of humans and providing essential equipment for the reaction on critical situations. The supply of spare parts for repair and replacement of lost equipment would be one key pillar of such a strategy. Bearing in mind the absolute distance and flight trajectories for manned missions to Mars, supplying spare parts from Earth is impossible. Thus, in space manufacturing remains the only option for a timely supply. With a high flexibility in design and the ability to manufacture ready to use components directly from a computer aided model, additive manufacturing technologies appear extremely attractive. For metal parts manufacturing the Laser Beam Melting process is the most widely used additive manufacturing process in industrial application. However, envisioning the handling of metal powders in the absence of gravitation is one prerequisite for its successful application in space. A gas flow throughout the powder bed has been successfully applied to compensate for missing gravitational forces in micro gravity experiments. The so-called Gas Flow Assisted Powder Deposition is based on a porous building platform acting as a filter for the fixation of metal particles in a gas flow driven by a pressure difference maintained by a vacuum pump.
Many of the most successful and precise additive manufacturing (AM) technologies are based on the deposition layer-by-layer of a flowable powder. Since the first pioneering work at the end of the 1980th many developments have been introduced, greatly extending the use of different materials, improving the physical properties of the components built and enhancing the accuracy of the process. Still very important issues remain nowadays, hampering a completely autonomous production of parts and even restricting the freedom of design by means of these technologies. One of the major issues is the low density and stability of the parts during the building process, which implies the need of support structures: The powder bed surrounding the part has an essential role, since it should support the structure during building, until it’s ready for removal. Moreover, the microstructure of the powder bed is a template for the microstructure of the part produced. In this context, the use of submicron ceramic powders is still a challenge. Three approaches for the stabilization and densification of powder beds will be presented: The Layerwise Slurry Deposition process LSD, the gas flow assisted powder deposition and the Laser Induced Slipcasting (LIS) of ceramic powder compacts.