Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Laser powder-based directed energy deposition (DED-L) is a technology that offers the possibility for 3D material deposition over hundreds of layers and has thus the potential for application in additive manufacturing (AM). However, to achieve broad industrial application as AM technology, more data and knowledge about the fabricated materials regarding the achieved properties and their relationship to the manufacturing process and the resulting microstructure is still needed. In this work, we present data regarding the low-cycle fatigue (LCF) behavior of Ti-6Al-4V. The material was fabricated using an optimized DED-L process. It features a low defect population and excellent tensile properties. To assess its LCF behavior two conventionally manufactured variants of the same alloy featuring different microstructures were additionally tested. The strain-controlled LCF tests were carried out in fully reversed mode with 0.3 % to 1.0 % axial strain amplitude from room temperature up to 400°C. The LCF behavior and failure mechanisms are described. For characterization, optical microscopy (OM), scanning electron microscopy (SEM), and micro-computed tomography (µCT) were used. The low defect population allows for a better understanding of the intrinsic material’s properties and enables a fairer comparison against the conventional variants. The fatigue lifetimes of the DED-L material are nearly independent of the test temperature. At elevated test temperatures, they are similar or higher than the lifetimes of the conventional counterparts. At room temperature, they are only surpassed by the lifetimes of one of them. The principal failure mechanism involves multiple crack initiation sites.
Die additive Fertigung (AM) metallischer Werkstoffe ist eine Technologie, die zunehmend Gegenstand von Forschungsaktivitäten und industrieller Anwendung ist. Dennoch steht sie noch vor Herausforderungen, um eine breite Nutzung in sicherheitsrelevanten Anwendungen zu erreichen. Die Hauptgründe für die Verzögerung des technologischen Durchbruchs zugunsten von AM-Metallen gegenüber konventionell hergestellten Varianten sind das Fehlen eines tieferen Verständnisses der Prozess-Struktur-Eigenschafts-Beziehungen und die begrenzte Verfügbarkeit von Daten zu den Materialeigenschaften. In diesem Kontext stellt diese Arbeit einen Beitrag sowohl zum Verständnis der Prozess-Struktur-Eigenschafts-Beziehungen als auch zur Verbesserung der Datenlage von 316L dar, einem häufig als Konstruktionswerkstoff in verschiedenen Hochtemperaturbauteilen verwendeten Werkstoff. Die Arbeit legt den Fokus auf die mittels Laser-Pulverbettschmelzen hergestellte Werkstoffvariante, PBF-LB/M/316L. Eine konventionell hergestellte Variante, HR/316L, wurde auch untersucht. Bei PBF-LB/M/316L wurde zusätzlich der Effekt ausgewählter Wärmebehandlungen ausgewertet. Die Untersuchung umfasste die Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften und der Verformungs- und Schädigungsmechanismen bei erhöhten Prüftemperaturen bei LCF und Kriechen, wo die Daten und Wissenslage am spärlichsten ist. Außerdem hat die untersuchte PBF-LB/M/316L-Wersktoffvariante einen geringen Porositätsgrad. Somit hat diese Arbeit die Mikrostruktur stärker in den Fokus genommen als die meisten bisher in der Literatur verfügbaren Studien.
Die mechanische Prüfkampagne umfasste Zugversuche zwischen Raumtemperatur und 650 °C, LCF-Versuche zwischen Raumtemperatur und 600 °C sowie Kriechversuche bei 600 °C und 650 °C. In Ermangelung konkreter Richtlinien und Normen wurde die Charakterisierung zumeist anhand der bestehenden internationalen Prüfnormen und Probengeometrien durchgeführt. Aus jedem dieser Prüfverfahren wurden die entsprechenden Festigkeits- und Verformungskennwerte ermittelt. Darüber hinaus wurde mit Hilfe gezielter mikrostruktureller Untersuchungen ein Beitrag zum Verständnis des Zusammenhangs zwischen der Mikrostruktur und den mechanischen Eigenschaften in Bezug auf die Verformungs- und Schädigungsmechanismen geleistet.
Die Dehngrenze von PBF-LB/M/316L ist etwa doppelt so hoch wie die von HR/316L und dieser Trend setzt sich mit ansteigender Prüftemperatur fort. Die Bruchdehnung ist bei allen Prüftemperaturen geringer. PBF-LB/M/316L weist über den größten Teil der Ermüdungslebensdauer vor allem bei Raumtemperatur höhere zyklische Spannungen als HR/316L auf. Ausschließlich bei den kleinsten Dehnungs-schwingbreiten sind die Ermüdungslebensdauer ausgeprägt kürzer. Das Wechselverformungsverhalten von PBF-LB/M/316L ist durch eine Anfangsverfestigung gefolgt von einer kontinuierlichen Entfestigung charakterisiert, welche bis zum Auftreten der zum Versagen führenden Entfestigung stattfindet. Die Kriechbruchzeiten und die Dauer jeder Kriechphase sind bei allen Kombinationen von Prüfparametern bei PBF-LB/M/316 kürzer als bei HR/316L. Die Spannungsabhängigkeit von PBF-LB/M/316L ist im Vergleich zu HR/316L geringer und die Duktilität beim Kriechen kleiner. Die minimale Kriechrate wird bei allen geprüften Parameterkombinationen bei deutlich geringeren Kriechdehnungen erreicht. Eine Wärmebehandlung bei 450 °C / 4 h bewirkt keine wesentliche Änderungen der Mikrostruktur und Zugversuchseigenschaften. Eine zusätzliche Wärmebehandlung bei 900 °C / 1 h verursacht eine Abnahme der Dehngrenze des PBF-LB/M/316L. Diese blieb aber immer noch um den Faktor 1,5x höher als bei HR/316L. Die Verformungsmerkmale wurden kaum davon beeinflusst. Bezüglich des Kriechverhaltens hat die Wärmebehandlung bei 900 °C / 1 h längere sekundäre und tertiäre Kriechstadien bewirkt und die Kriechdehnung hat sich signifikant erhöht. Die Bruchbilder unterscheiden sich generell nicht nur aber vor allem mit ansteigender Prüftemperatur, bei der bei PBF-LB/M/316L oft interkristalline Rissbildung beobachtet wurde. Die Zellstruktur trägt als der Hauptfaktor zu den unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften im Vergleich zur HR/316L-Variante bei. Darüber hinaus spielen mutmaßlich die Kornmorphologie, die Stapelfehlerenergie und der Stickstoffgehalt eine Rolle.
The subsurface residual stress in laser powder bed fused 316L structures was analyzed using X-ray diffraction (XRD) and layer removal. The influence of varying structure thicknesses was investigated. In this study the importance of combining surface roughness measurements with XRD was shown. Moreover, a clear relation between the structure thickness and the subsurface residual stress profiles was observed.
Rapid cooling rates and steep temperature gradients are characteristic of additively manufactured (AM) parts and important factors for residual stress formation which have implications on structural integrity. This study examined the influence of heat input on the distribution of residual stresses in two prisms produced by laser powder bed fusion (L-PBF) of austenitic stainless steel 316L.
The layers of the prisms were exposed using two distinct helix scanning strategies: one scanned from the centre to the perimeter and the other from the perimeter to the centre. Residual stresses were characterised at one plane perpendicular to the building direction at half of its build height using neutron diffraction. In addition, the defect distribution was analysed via micro X-ray computed tomography (µCT) in a twin specimen.
Both scanning strategies reveal residual stress distributions typical for AM: compressive stresses in the bulk and tensile stresses at the surface. However, temperature gradients and maximum stress levels differ due to the different heat input. Regarding the X-ray µCT results, they show an accumulation of defects at the corners where the laser direction turned through 90°.
The results demonstrate that neutron diffraction and X-ray µCT can be successfully used as non-destructive methods to analyse through-thickness residual stress and defect distribution in AM parts, and in the presented case, illustrate the influence of scanning strategies. This approach contributes to deeper assessment of structural integrity of AM materials and components.
The laser powder bed fusion of 316L leads to the formation of large residual stress. In this presentation, different stress relieve treatments were employed to assess their potential to relax the residual stress. The residual stress was determined by X-ray and neutron diffraction. The results give insights on the range of relaxation one can obtain by employing low and high temperature heat treatments and relates the relaxation to changes in the microstructure.
Design of freedom, performance improvement, cost reduction and lead time reduction are key targets when manufacturing parts in a layer-by-layer fashion using the laser powder bed fusion process (LPBF). Many research groups are focussed on improving the LPBF process to achieve the manufacturing of sound parts from a structural integrity perspective. In particular, the formation and distribution of residual stress (RS) remains a critical aspect of LPBF. The determination of the RS in LPBF benefits from the use of neutron diffraction (ND), as it allows the non-destructive mapping of the triaxial RS with a good spatial resolution. Two case studies are presented based on experiments carried out on the angular-dispersive neutron diffractometers Strain Analyser for Large Scale Engineering Applications (SALSA) (Institut Laue Langevin, Grenoble) and STRESS-Spec (FRM II, Garching). The RS in LPBF parts having a rectangular and more complex geometry (lattice structure) is analysed. The former example discusses the mapping of the RS in a rectangular body manufactured from stainless steel 316L. The manufacturing of these parts was monitored using an in-situ thermography set-up to link the RS to the thermal history. The latter discusses the RS in a lattice structure manufactured from the nickel base superalloy IN625. This geometry is challenging to characterise, and the use of a X-ray computed tomography twin is presented as tool to support the alignment of the ND experiment. The results from these case studies show a clear link between the thermal history and the RS magnitudes, as well as giving insights on the RS formation.
The influence of the inter-layer-time and the scanning velocity on the surface and bulk residual stress in laser powder bed fused 316L specimens was investigated. This study combines X-ray and neutron diffraction results with the thermal history of the specimens acquired through in-situ process monitoring. The process parameter variations were observed to directly influence the thermal history, which gave new insights in the assessment of the residual stress results.
Additive manufacturing (AM) technologies are experiencing an exceedingly rapid growth, driven by their potential through layer wise deposition for transformational improvements of engineering design, leading to efficiency and performance improvements. Laser Powder Bed Fusion (LPBF) is an Additive Manufacturing (AM) method which permits the fabrication of complex structures that cannot otherwise be produced via conventional subtractive manufacturing methods. Nevertheless, the rapid cooling rates associated with this process results in the formation of significant and complex residual stress (RS) fields. A large body of both experimental and simulation research has been dedicated in recent years to the control and mitigation of RS in AM. In order to validate simulations with the end goal of being able to model the residual stress state in AM components and to devise strategies for their reduction during manufacturing, experimental methods need to be able to accurately determine 3D residual stresses fields in complex geometries. Several destructive and non-destructive methods can be used to analyze the RS state, the choice of which depends on the geometry and the information required. Diffraction-based methods using penetrating neutron and synchrotron X-rays at large scale facilities offer the possibility to non-destructively spatially resolve both surface and bulk residual stresses in complex components and track their changes following applied thermal or mechanical loads. This presentation will overview the success stories of using large scale facilities by the BAM for the characterization of residual stresses in additively manufactured metallic alloys. In particular, the study of the influence of process parameters on the residual stress state and the relaxation of these stresses through heat treatment will be presented. However there remains challenges to overcome particularly of the hypotheses underlying the experimental determination of residual stresses, which will be discussed.