Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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This contribution presents the results of an experimental study on the LCF behavior of an austenitic 316L stainless steel produced by laser powder bed fusion featuring a low defect population, which allows for an improved understanding of the role of other typical aspects of a PBF‑LB microstructure. The LCF tests were performed between room temperature and 600 °C. A hot‑rolled 316L variant was tested as a reference. The mechanical response is characterized by strain-life curves, a Coffin‑Manson‑Basquin fitting, and cyclic deformation curves. The damage and deformation mechanisms are studied with X-ray computed tomography, optical and electron microscopy. The PBF‑LB/M/316L exhibits lower fatigue lives at lower strain amplitudes. The crack propagation is mainly transgranular. The solidification cellular structure seems to be the most relevant underlying microstructural feature determining the cyclic deformation behavior.
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.
Residual stresses Analysis in Additively Manufactured alloys using neutron diffraction (L-PBF)
(2023)
An overview of recent progress at BAM of residual stress analysis in additively manufactured, in particular Laser Powder Bed Fusion of metallics materials, using neutron diffraction will be presented. This will cover important topics of the stress-free reference, the diffraction elastic moduli and principal stress determination.
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.
Metal Additive Manufacturing (AM) technologies such as Laser Powder Bed Fusion (LPBF) are characterized by layer wise construction, which enable advancements of component design, with associated potential gains in performance and efficiency. However, high magnitude residual stresses (RS) are often a product of the rapid thermal cycles typical of the layerwise process. Therefore, a deep understanding of the formation of RS, the influence of process parameters on their magnitude and the impact on mechanical performance is crucial for widespread application. The experimental characterisation of these RS is essential for safety related engineering application and supports the development of reliable numerical models. Diffraction-based methods for RS analysis using neutrons and high energy X-rays enable non-destructive spatially resolved characterisation of both surface and bulk residual stresses in complex components. This presentation will provide an overview of recent research by the BAM at large scale facilities for the characterization of residual stresses in LPBF metallic alloys as a function of process parameters. In addition, the challenges posed by the textured and hierarchical microstructures of LPBF materials on diffraction-based RS analysis in AM materials will be discussed. This will include the question of the d0 reference lattice spacing and the appropriate choice of the diffraction elastic constants (DECs) to calculate the level of RS in LPBF manufactured alloys.
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.
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.
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 triaxial distribution of the residual stress in laser powder bed fused austenitic steel 316L was determined by X-ray and neutron diffraction. The residual stress analysis results were linked to the thermal history of the specimens, which were manufactured with varying inter-layer-times and scanning velocities. A clear link between the in-process temperature of the specimens and the residual stress was found, based on in-situ monitoring data.