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Organisationseinheit der BAM
Determination of short carbon fiber orientation in zirconium diboride ceramic matrix composites
(2024)
In fiber-reinforced components, the fiber alignment and orientation have paramount influence on the thermomechanical properties of the resulting composite, for both short and continuous fiber. Here we present the case of an ultra-refractory matrix intended for extreme environment applications, ZrB2, reinforced with 20 vol% and 50 vol% short carbon fibers. In both cases, fibers tend to align perpendicular to the uniaxial pressure applied during shaping and sintering of a pellet, although the fiber tilt across the pellet thickness is difficult to determine. Moreover, for high volume fractions of reinforcement, the spatial distribution of the fibers is heterogeneous and tends to have domains of preferential orientations. We compare the information on the fiber distribution as collected by scanning electron microscopy images, X-ray computed tomography and synchrotron X-ray refraction radiography (SXRR). The three techniques prove to be complementary. Importantly, we demonstrate that SXRR yields the most statistically significant information due to the largest field of view, yet with a sensitivity down to the nanometer, and that can be successfully applied also to heavy matrix materials, such as zirconium boride.
AbstractIn this study, we compare the residual stress state in a laser powder bed fusion (PBF‐LB/M) AlSi10Mg alloy in the as‐built (AB) condition with that after two different heat treatments (265 °C for 1 h, HT1; and 300 °C for 2 h, HT2). The bulk residual stress (RS) is determined using synchrotron X‐ray diffraction (SXRD), and near‐surface profiles are determined using laboratory energy‐dispersive X‐ray diffraction (EDXRD). The EDXRD results do not reveal any notable difference between the conditions at a depth of 350 μm, suggesting that the machining process yields a comparable residual stress state in the near‐surface regions. On the other hand, the SXRD results show that HT1 is more effective in relieving the bulk RS. It is observed that HT1 reduces the RS state in both the aluminium matrix and the silicon network. In addtion, HT2 does not have a significant impact on relaxing the RS as‐built state of the matrix, although it does induce a reduction in the RS magnitudes of the Si phase. It is concluded that the heat treatment stress relieving is effective as long as the Si‐network is not disaggregated.
Powder Bed Fusion – Laser Beam (PBF-LB) of high γ’ strengthened Ni-base superalloys, such as CM247LC, is of great interest for high temperature applications in gas turbines. However, PBF-LB of CM247LC is challenging due to the high cracking susceptibility during PBF-LB processing (solidification cracking) and heat treatment (strain age cracking, mostly caused by residual stresses). This study focuses on understanding the impact of process parameters on microstructure, residual stresses and solidification cracking. Laser power (P), speed (v) and hatch spacing (h) were varied while the layer thickness (t) was fixed. The melt pool size and shape were found to be key factors in minimizing solidification cracking. Narrower and shallower melt pools, achieved using a low line energy density (LED = P/v ≤ 0.1 J/mm), gave low crack densities (0.7 mm/mm2). A tight hatch spacing (h = 0.03 mm) resulted in reduced lack of fusion porosity. Electron backscatter diffraction investigations revealed that parameters giving finer microstructure with 〈100〉crystallographic texture had low crack densities provided they were processed with a low LED. Atom probe tomography elucidated early stages of spinodal decomposition in the as-built condition, where Cr and Al cluster separately. The extent of spinodal decomposition was found to be affected by the LED and the hatch spacing. Samples with low LED and small hatch spacing showed higher degrees of spinodal decomposition. X-ray diffraction residual stress investigations revealed that the residual stress is proportional to the volumetric energy density (VED = P/(v. h. t)). Although low residual stresses can be achieved by using low VED, there is a high risk of lack of fusion. Hence, other parameters such as modified scan strategy, build plate pre-heating and pulsed laser mode, must be further explored to minimize the residual stresses to reduce the strain age cracking susceptibility.
Regardless of the experimental care practiced in acquiring X-ray computed tomography (XCT) data, artifacts might still exist, such as noise and blur. This is typical for fast XCT data acquisitions (e.g., in-situ investigations), or low-dose XCT. Such artifacts can complicate subsequent analysis of the data. Digital filters can moderately cure extensive artifacts. The selection of filter type, intensity, and order of application is not always straight forward. To tackle these problems, a complete sequential multilevel, multi-scale framework: BAM SynthCOND, employing newly designed deep convolutional neural networks (DCNNs), was formulated. Although data conditioning with neural networks is not uncommon, the main complication is that completely artifact-free XCT data for training do not exist. Thus, training data were acquired from an in-house developed library (BAM SynthMAT) capable of generating synthetic XCT material microstructures. Some novel DCNN architectures were introduced (2D/3D ACEnet_Denoise, 2D/3D ACEnet_Deblur) along with the concept of Assertive Contrast Enhancement (ACE) training, which boosts the performance of neural networks trained with continuous loss functions. The proposed methodology accomplished very good generalization from low resemblance synthetic training data. Indeed, denoising, sharpening (deblurring), and even ring artifact removal performance were achieved on experimental post-CT scans of challenging multiphase Al-Si Metal Matrix Composite (MMC) microstructures. The conditioning efficiencies were: 92% for combined denoising/sharpening, 99% for standalone denoising, and 95% for standalone sharpening. The results proved to be independent of the artifact intensity. We believe that the novel concepts and methodology developed in this work can be directly applied on the CT projections prior to reconstruction, or easily be extended to other imaging techniques such as: Microscopy, Neutron Tomography, Ultrasonics, etc.
In Leichtbauanwendungen sind Materialien mit geringen Dichten und hohen Festigkeiten gefragt. Insbesondere Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) erfüllen diese Anforderungen und werden zunehmend für Strukturbauteile eingesetzt. Die Oberflächen moderner Rotorblätter von Windkraftanlagen werden aus FKV gefertigt. Das Versagen dieser Materialien hat massiven Einfluss auf die Einsatzfähigkeit der gesamten Windkraftanlage. Daher ist die Kenntnis des Versagensverhaltens dieser Komponenten unter statischer und zyklischer Belastung von großem Interesse, um die Betriebsbeanspruchung abzuschätzen. Im Idealfall wird die Schadensentwicklung unter Betriebslast mit zerstörungsfreien in-situ-Prüfverfahren ermittelt. Hier berichten wir über die Beobachtung der Rissentwicklung in Carbon-Faserverstärkten Kunststoffen (CFK) unter kontinuierlicher Zugbelastung durch in-situ Synchrotron-Röntgenrefraktionsradiographie. Eine selbst entwickelte elektromechanische Zugprüfmaschine mit einem Kraftbereich bis zu 15 kN wurde in den Strahlengang an der BAMline (BESSY II) integriert. Da in herkömmlichen (Absorptions-) Radiographien Defekte wie Zwischenfaserbrüche oder Faser-Matrix-Enthaftung keinen ausreichenden Kontrast verursachen, wird zur Kontrastanhebung die Röntgenrefraktion benutzt. Hier wird das sogenannte Diffraction Enhanced Imaging (DEI) angewandt, um Primär- und gebrochene Strahlung mit Hilfe eines Analysatorkristalls zu trennen. Diese Technik ermöglicht schnelle Messungen mit einem Gesichtsfeld von einigen Quadratmillimetern (hier: 14 mm × 7.2 mm) und ist ideal für in-situ Untersuchungen. Die Bildgebung und der Zugversuch erfolgen mit einer Bildfrequenz von 0.7 / s und einer Dehnrate von 0.00055 / s . Bei 0°/90° Fasergelegen treten die ersten Zwischenfaserrisse bei 380 MPa (Dehnung 0.8 %) auf. Vor dem Versagen bei ca. 760 MPa (Dehnung 2.0 %) beobachten wir die Ausbildung eines nahezu äquidistanten Rissmusters (Risse in ca. 1 mm Abstand), das sich im geschädigten Zustand über die gesamte Probe erstreckt.
Die Brechung von Röntgenstrahlen (Röntgenrefraktion) an Grenzflächen zwischen Materialien unterschiedlicher Dichte ist analog zur Ablenk-ung von sichtbarem Licht an z.B. Glasoberflächen. Es gibt jedoch zwei wesentliche Unterschiede:
a) konvexe Grenzflächen verursachen Divergenz (d.h. der Brechungsindex n ist kleiner als 1), und
b) die Ablenkungswinkel sind sehr klein, und reichen von einigen Bogensekunden bis zu einigen Bogenminuten (d.h. n ist nahe bei 1);
Wie auch bei sichtbarem Licht ist die Ablenkungsrichtung der Röntgenstrahlen abhängig von der Orientierung der durchstrahlten Grenzfläche. Aufgrund dieser Eigenschaften eignen sich Röntgenrefraktionsmethoden hervorragend für:
a) die Erkennung und Quantifizierung von Defekten wie Poren und Mikrorissen und
b) die Bewertung von Porosität und Partikeleigenschaften wie Orientierung, Größe und räumliche Verteilung.
Wir zeigen die Anwendung der Röntgenrefraktionsradiographie (2,5D Technik) und der -tomographie (3D Technik) für die Untersuchung verschiedener Probleme in der Werkstoffwissenschaft und -technologie:
a) Sintern von SiC-Grünkörpern
b) Porositätsanalyse in Dieselpartikelfiltersilikaten
c) Faser-Matrix-Haftung in Metall- und Polymermatrixverbundwerkstoffen
d) Mikrorissbildung in Glaskeramik.
Wir zeigen, dass der Einsatz von Röntgenrefraktionsmethoden quantitative Ergebnisse liefert, die direkt als Parameter in Werkstoffmodellen verwendet werden können.
The micromechanical behavior of an annealed Ti-6Al-4V material produced by Laser Powder Bed Fusion was characterized by means of in-situ synchrotron X-ray diffraction during a tensile test. The lattice strain evolution was obtained parallel and transversal to the loading direction. The elastic constants were determined and compared with the conventionally manufactured alloy. In the plastic regime, a lower plastic anisotropy exhibited by the lattice planes was observed along the load axis (parallel to the building direction) than in the transverse direction.
Also, the load transfer from α to β phase was observed, increasing global ductility of the material. The material seems to accumulate a significant amount of intergranular strain in the transverse direction.
Um das Material- und Schädigungsverhalten von additiv gefertigtem Polyamid 12 (PA12) unter quasistatischer Belastung zu charakterisieren, wurden mechanische Tests und Röntgenverfahren zur Bestimmung der Mikrostruktur eingesetzt. Die Proben wurden nach dem Prinzip des Selektiven Lasersinterns (SLS) hergestellt. Unter quasistatischer Belastung mit Haltezeiten ergab sich ein viskoplastisches Materialverhalten. Im Zugversuch wurde eine maximale Zugfestigkeit von 40.6 MPa und eine Bruchdehnung von 7.4% beobachtet. Mittels Röntgenrefraktion wurde eine Erhöhung von inneren Oberflächen beobachtet, die senkrecht zur Zugrichtung orientiert sind. Die Analyse der Gesamtporosität aus Computertomographie-Messungen ergab keine Änderung infolge der Zugbelastung. Jedoch wurde eine bimodale Porengrößenverteilung und eine steigende Sphärizität festgestellt. Das Materialverhalten wurde mit dem Chaboche-Modell simuliert und ergab eine sehr gute Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen. Allerdings gestattet dieses Modell nicht, das Schädigungsverhalten abzubilden. Daher wurde zur Simulation des Schädigungsverhaltens das Modell gemäß dem Ansatz von Gurson, Tvergaard und Needleman unter Berücksichtigung der mikrostrukturellen Parameter erweitert. Der Schwerpunkt des Beitrags liegt auf den Röntgenverfahren zur experimentellen Bestimmung der Mikrostruktur.
Die Degradation von Wärmedämmschichten(thermal barrier coatings - TBCs) in Gasturbinen durch glasartige Calcium-Magnesium-Aluminiumsilikat (CMAS)Ablagerungen aus verschiedenen Quellen istseit vielen Jahren ein anhaltendes Problem. In dieser Studie wurde mit Hilfe derSynchrotron-Röntgen-Refraktions-Radiographie (SXRR), und vergleichend mit der Elektronenmikroskopie, das Eindringen von CMAS in die poröse Struktur von atmosphärisch plasmagespritzten (APS)TBCs sowie die Bildung und das Wachstum von Rissen unter thermisch zyklischer Belastung untersucht. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Infiltration sowie deren Kinetik im Brenner-Teststand wesentlich vom Benetzungsverhalten des CMAS beeinflusst werden. Trotz desoffensichtlichen Angriffs von CMAS auf die Korngrenzen hat die Wechselwirkung von Yttriumdioxid-stabilisiertem Zirkoniumdioxid (YSZ) mit intrudiertem CMAS keinen unmittelbaren Einfluss auf die Struktur und Dichte der innen Oberflächen(Risse, Poren). In einem späteren Stadium wird die Bildung von Rissen senkrecht zur äußeren Oberfläche in einer breiteren Zone der TBC-Schicht beobachtet.
In this paper we report on the characterization by X-ray computed tomography of calcium phosphate (CaP) and polycaprolactone (PCL) coatings on Ti-6Al-4V alloy scaffolds used as a material for medical implants. The cylindrical scaffold has greater porosity of the inner part than the external part, thus, mimicking trabecular and cortical bone, respectively. The prismatic scaffolds have uniform porosity. Surface of the scaffolds was modified with calcium phosphate (CaP) and polycaprolactone (PCL) by dip-coating to improve biocompatibility and mechanical properties. Computed tomography performed with X-ray and synchrotron radiation revealed the defects of structure and morphology of CaP and PCL coatings showing small platelet-like and spider-web-like structures, respectively.