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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.
Methodologies for model parameterization of virtual CTs for measurement uncertainty estimation
(2022)
X-ray computed tomography (XCT) is a fast-growing technology for dimensional measurements in industrial applications. However, traceable and efficient methods to determine measurement uncertainties are not available. Guidelines like the VDI/VDE 2630 Part 2.1 suggest at least 20 repetitions of a specific measurement task, which is not feasible for industrial standards. Simulation-based approaches to determine task specific measurement uncertainties are promising, but require closely adjusted model parameters and an integration of error sources like geometrical deviations during a measurement. Unfortunately, the development of an automated process to parameterize and integrate geometrical deviations into XCT models is still an open issue. In this work, the whole processing chain of dimensional XCT measurements is taken into account with focus on the issues and requirements to determine suitable parameters of geometrical deviations. Starting off with baseline simulations of different XCT systems, two approaches are investigated to determine and integrate geometrical deviations of reference measurements. The first approach tries to iteratively estimate geometric deviation parameter values to match the characteristics of the missing error sources. The second approach estimates those values based on radiographs of a known calibrated reference object. In contrast to prior work both approaches only use a condensed set of parameters to map geometric deviations. In case of the iterative approach, some major issues regarding unhandled directional dependencies have been identified and discussed. Whereas the radiographic method resulted in task specific expanded measurements uncertainties below one micrometre even for bi-directional features, which is a step closer towards a true digital twin for uncertainty estimations in dimensional XCT.
While the problem of the identification of mechanisms of hydrogen assisted damage has and is being thoroughly studied, the quantitative analysis of such damage still lacks suitable tools. In fact, while, for instance, electron microscopy yields excellent characterization, the quantitative analysis of damage requires at the same time large field-of-views and high spatial resolution. Synchrotron X-ray refraction techniques do possess both features. In this work, we show how synchrotron X-ray refraction computed tomography (SXRCT) can quantify damage induced by hydrogen embrittlement in a lean duplex steel, yielding results that overperform even those achievable by synchrotron X-ray absorption computed tomography. As already reported in literature, but this time using a non-destructive technique, we show that the hydrogen charge does not penetrate to the center of tensile specimens. By the comparison between virgin and hydrogen-charged specimens, we deduce that cracks in the specimen bulk are due to the rolling process rather than hydrogen-assisted. We show that (micro)cracks propagate from the surface of tensile specimens to the interior with increasing applied strain, and we deduce that a significant crack propagation can only be observed short before rupture.
While structural ceramics usually display a brittle mechanical behavior, their composites may show nonlinearities, mostly due to microcracking. Herein, the stiffness evolution of a sandwich-like laminate of an Al2O3 15%vol. ZrO2 matrix reinforced with Nextel 610 fibers is studied as a function of number of cycles N in tension. The stiffness of the composite degrades with increasing N, indicating microcracking. However, synchrotron X-ray refraction radiography shows that the internal specific surface of such cracks varies differently. A modeling strategy is developed for the calculation of the equivalent stiffness of mixtures (first the matrix and then the sandwich), based on the Voigt and Reuß schemes. The Bruno–Kachanov model is then used to estimate the initial microcrack density in the matrix (due to the thermal expansion mismatch) and the amount of microcracking increase upon cyclic loading. The stiffness in the composite degrades dramatically already after 20 000 cycles but then remains nearly constant. The combination of mechanical testing, quantitative imaging analysis, and modeling provides insights into the damage mechanisms acting: microcrack propagation is more active than microcrack initiation upon cyclic loading, but the second also occurs. This scenario is similar but not equal to previous results on porous and microcracked ceramics.
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.
Using SXRR to Probe the Nature of Discontinuities in SLM Additive Manufactured Inconel 718 Specimens
(2020)
The utilization of additive manufacturing (AM) to fabricate robust structural components relies on understanding the nature of internal anomalies or discontinuities, which can compromise the structural integrity. While some discontinuities in AM microstructures stem from similar mechanisms as observed in more traditional processes such as casting, others are unique to the AM process. Discontinuities in AM are challenging to detect, due to their submicron size and orientation dependency. Toward the goal of improving structural integrity, minimizing discontinuities in an AM build requires an understanding of the mechanisms of formation to mitigate their occurrence. This study utilizes various techniques to evaluate the shape, size, nature and distribution of discontinuities in AM Inconel 718, in a non-hot isostatic pressed (HIPed) as-built, non-HIPed and direct age, and HIPed with two step age samples. Non-destructive synchrotron radiation refraction and transmission radiography (SXRR) provides additional information beyond that obtained with destructive optical microscopy. SXRR was able to distinguish between voids, cracks and lack of melt in, due to its sensitivity to the orientation of the discontinuity.
Zirconia-based cast refractories are widely used for glass furnace applications. Since they have to withstand harsh chemical as well as thermo-mechanical environments, internal stresses and microcracking are often present in such materials under operating conditions (sometimes in excess of 1700 °C). We studied the evolution of thermal (CTE) and mechanical (Young’s modulus) properties as a function of temperature in a fused-cast refractory containing 94 wt.% of monoclinic ZrO2 and 6 wt.% of a silicate glassy phase. With the aid of X-ray refraction techniques (yielding the internal specific surface in materials), we also monitored the evolution of microcracking as a function of thermal cycles (crossing the martensitic phase transformation around 1000 °C) under externally applied stress. We found that external compressive stress leads to a strong decrease of the internal surface per unit volume, but a tensile load has a similar (though not so strong) effect. In agreement with existing literature on -eucryptite microcracked ceramics, we could explain These phenomena by microcrack closure in the load direction in the compression case, and by microcrack propagation (rather than microcrack nucleation) under tensile conditions.
Das selektive Laserschmelzen (SLM) ist eine pulverbasierte, additive Fertigungsmethode, welche die Herstellung von komplex und individuell geformten Bauteilen ermöglicht. Im Laufe der vergangenen Jahre haben verschiedene Branchen, unter anderem die Luft- und Raumfahrt Industrie, begonnen diese Technologie intensiv zu erforschen. Insbesondere die Titanlegierung Ti-6Al-V4, welche aufgrund ihrer Kombination von mechanischen Eigenschaften, geringer Dichte und Korrosionsbeständigkeit häufig in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt wird, eignet sich für die Herstellung mittels SLM. Allerdings können durch nicht optimal gewählte Prozessparameter, welche für gewöhnlich in einer Energiedichte zusammengefasst werden, Defekte in den Bauteilen entstehen.
In dieser Studie wurde untersucht, in wie weit Röntgen-Refraktionsradiographie geeignet ist diese Defekte zu detektieren und zu charakterisieren. Bei der Röntgen-Refraktionsradiographie wird die Röntgenstrahlung, nachdem sie die Probe transmittiert hat, über einen Analysatorkristall gemäß der Bragg-Bedingung in den 2D-Detektor reflektiert und dabei nach ihrer Ausbreitungsrichtung gefiltert. Dadurch wird neben der Schwächung auch die Ablenkung der Röntgenstrahlung durch Refraktion im inneren der Probe zur Bildgebung ausgenutzt. Aus den aufgenommen Refraktionsradiogrammen kann der Refraktionswert berechnet werden. Dieser ist ein Maß für die Menge an inneren Oberflächen in der Probe.
Zum einen konnte gezeigt werden, dass die Röntgen-Refraktionsradiographie Defekte detektieren kann, die kleiner sind als die Ortsauflösung des verwendeten 2D-Detektors. Zum anderen können zwei verschiedene Typen von Defekten unterschieden werden. Bei dem ersten Typ handelt es sich um runde Poren mit geringer innerer Oberfläche. Diese, sogenannten „keyhole pores“ sind charakteristisch für eine zu hohe Energiedichte während des SLM Prozesses. Bei dem zweiten Typ handelt es sich um nicht komplett aufgeschmolzenes Pulver. Diese Defekte zeichnen sich durch eine hohe innere Oberfläche aus und sind charakteristisch für eine zu geringe Energiedichte. Vergleichende Messungen mit hochauflösender Synchrotron CT und optischer Mikroskopie bestätigen die charakteristischen Formen der verschiedenen Defekte.
Proben mit einer Mittelkerbe aus Polyamid 66 mit 35% Gewichtsan-teil an Kurzglasfaser (PA-GF35) wurden im Spritzgießverfahren hergestellt und in einem ungeschädigten und durch Schwingbeanspruch geschädigten Zustand mittels Röntgenverfahren charakterisiert. Sowohl die Faserorientierungsverteilung als auch die Riss-/Mikrorissbildung wurden mit der Röntgenrefraktionstopographie in einem SAXS-Aufbau und dem Diffraction-Enhanced-Imaging am Synchrotron (BESSY II) analysiert. Beide Verfahren spiegeln in guter Übereinstimmung die Charakteristiken dieser Werkstoffklasse in Bezug auf die Fertigungsqualität und die Schädigungsme-chanismen wider.
For the first time, X-ray refraction techniques are proven for the identification of void formation in Ti-6Al-4V parts produced by selective laser melting. The topology and volume fraction of pores are measured in samples produced with different laser energy density. Unique X-ray refraction methods identify different kinds of defects, characteristic to the regions below and above the Optimum laser energy density, namely unprocessed powder (unmolten powder particles, balling effect, and Fusion defects) from empty keyhole pores. Furthermore, it is possible to detect small inhomogeneities (voids or cracks) with sizes below the spatial resolution of optical microscopy and X-ray computed tomography.