Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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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.
Currently, mandatory requirements and recommendations for the detection of irregularities in laser beam welded joints are based on classic micrographs as set out in the standard ISO 13919-1:2019. Compared to classic micrographs, computed tomography enables a non-destructive, three-dimensional and material-independent mode of operation, which delivers much more profound results. Even in building material testing, methods with limited informative value can be checked and supplemented by CT examinations.
Direct energy deposition additive manufacturing technologies utilizing an electric arc offer a great potential in generating large volume metal components. However, the selection of process parameters that yield the desired near net shape design as well as the requested mechanical component behavior is not a trivial task due to the complex relationship. Exemplarily for additive manufacturing of high-strength precipitation hardening AlMgSi-aluminum alloy this paper shows the application of a newly developed matching solid welding wire doped with TiB as grain refiner. The correlation between process parameters and component quality is examined analyzing the size and distribution of pores as well as the grain morphology. Furthermore, the influences of different post-weld heat treatments are evaluated to meet the reference mechanical properties of the corresponding wrought material. Finally, the digital integration of the entire additive manufacturing chain enables an overall traceability of the relevant process steps which is the basis for a reliable subsequent quality assessment.
Mean-field modeling and Phase-field simulation of Grain Growth under Directional driving forces
(2024)
Directional grain growth is a common phenomenon in the synthetic and natural evolution of various polycrystals. It occurs in the presence of an external driving force, such as a temperature gradient, along which grains show a preferred, yet competitive, growth. Novel additive manufacturing processes, with intense, localized energy deposition, are prominent examples of when directional grain growth can occur, beneath the melting pool. In this work, we derive a phenomenological mean-field model and perform 3D phase-field simulations to investigate the directional grain growth and its underlying physical mechanisms. The effect of the intensity of driving force is simulated and systematically analyzed at the evolving growth front as well as various cross-sections perpendicular to the direction of the driving force. We found that although the directional growth significantly deviates from normal grain growth, it is still governed by a power law relation <R> \propto t^n with an exponent n ~ 0.6–0.7. The exponent
exhibits a nontrivial dependence on the magnitude of the directional driving force, such that the lowest growth exponent is observed for intermediate driving forces. We elaborate that this can originate from the fact that the forces at grain boundary junctions evolve out of balance under the influence of the directional driving force. With increasing the driving forces, the growth exponent asymptotically approaches a value of n~0.63, imposed by the largest possible grain aspect ratio for given grain boundary energies. The current combined mean-field and phase-field framework pave the way for future exploration in broader contexts such as the evolution of complex additively manufactured microstructures.
Additive manufacturing (AM) processes enable the efficient production of advanced constructions. New developments in topology optimization are leading to weight-optimized designs of increasing complexity. Direct energy deposition processes (DED) such as wire and arc-based additive manufacturing are an important method of additive manufacturing. The wire filler metals enable a wide range of materials, while the arc process provides a high deposition rate compared to laser and powder-based processes. Combined with the use of high-strength steels, the thickness of walls or components can be significantly reduced in the context of lightweight construction, which results in significant savings in energy, costs, time and resources. Suitable high-strength steel filler metals are commercially available for DED-arc AM processes. However, guidelines and quantitative knowledge about welding stresses and cold cracking issues during component production and service are lacking. This limits the industrial application considerably. In a joint project of BAM and Chemnitz University of Technology, the main influences and complex interactions of material, production process, design and processing steps on the residual stress level are investigated. The aim is to develop processing recommendations and a cold cracking test for economical processing and stress-related design of high-strength steels with DED-arc. This study focuses on residual stress analysis by neutron diffraction (ND) and X-ray diffraction (XRD) on defined test specimens. The ND analysis were performed at the Paul Scherrer Institute- Villigen, Switzerland (PSI) and the XRD analysis at BAM. The study shows a quantitative and qualitative comparison of the residual stress magnitudes and distribution between the component bulk (ND) and surface (XRD) analyses. The ND analysis reveals that in DED-arc AM walls the residual stresses dominate in the direction of welding and are negligibly small in each case transverse to the direction of welding. The topology of the analyzed residual stresses shows almost identical residual stress maps compared to XRD. In addition, the residual stresses are significantly influenced by the solid phase transformation of the material due to low cooling times and less post heat treatment cycles of following AM layers in the area of the top layer.
Um Bauteile vor Verschleiß und Korrosion zu schützen werden Beschichtungen aus resistenteren Materialien aufgetragen. Hierzu zählen unter anderen die Legierungen auf Cobalt-Chrom Basis. Der diskrete Materialsprung ist jedoch unter thermischen und mechanischen Belastungen häufig Ursache für das Versagen der Beschichtung. In dieser Arbeit werden daher Materialgradierungen von verschiedenen Stahllegierungen zu einer Cobalt-Chrom Basislegierung untersucht. Die Ergebnissen werden dafür auch mit Resultaten zu vorangegangenen Untersuchungen verglichen. Kern der Arbeit bilden geätzte Schliffbilder der Materialpaarungen und Auswertungen mittels Farbeindringprüfung sowie die metallografische Bestimmung der Porosität. Ziel der Arbeit ist ein defektfreier Aufbau der funktional gradierten Materialpaarungen.
Structural alloys are largely employed in key industrial sectors and their demand is predicted to rise rapidly for the next decades. Most of these materials require a large amount of energy for extraction and manufacturing, which causes the emission of greenhouse gases and other pollutants. Therefore, strategies for improving the sustainability of structural metallic alloys are urgently needed.
Additive Manufacturing (AM), in particular Laser Powder Bed Fusion (PBF-LB/M), aims to be a sustainable manufacturing process, as it allows the build-up of complex geometry in near net-shape from 3D models, while minimizing material waste and the energy required for the process and post-process treatments.
Nevertheless, the application of additively manufactured parts in structural safety-relevant applications is still hindered by the poor fatigue performance. The cause of this has been mainly attributed to the presence of manufacturing defects and surface roughness. Therefore, a huge effort has been made to optimize the process parameters and to introduce post-process treatments to minimize the defect content. However, material flaws cannot be fully eliminated, but these can be considered in a damage tolerance framework for the prediction of the fatigue performance of additively manufactured metallic materials, which is essential for part design and qualification.
This work aims at presenting different modelling strategies for the prediction of the fatigue limit of AM metals. Simple empirical models and more complex models based on fatigue short crack propagation are proposed. The investigated material is an AlSi10Mg alloy fabricated by PBF-LB/M and subjected to two different low-temperature heat-treatments (265°C for 1 h and 300°C for 2h). The results show that the models can provide good approximation of the fatigue limits and help in the interpretation of the scatter of fatigue data.
State-of-the-art laser powder bed fusion (PBF-LB/M) machines allow pre-heating of the substrate plate to reduce stress and improve part quality. However, two major issues have been shown in the past: First, with increasing build height the apparent pre-heat temperature at the surface can deviate drastically from the nominal pre-heat temperature in the substrate plate. Second, even within a single layer the local surface pre-heat temperature can show large gradients due to thermal bottlenecks in the part geometry underneath the top surface. Both lead to unwanted changes in microstructure or defects in the final parts. In this study, a first attempt is taken to show the feasibility of pre-heating the top surface with the onboard laser beam to overcome the mentioned issues. A single layer of a group of three parts built from IN718 to a height of 33.5 mm is pre-heated in a commercially available PBF-LB/M machine to an average steady state surface temperature of 200 °C using the onboard laser beam. The parts are continuously heated, omitting powder deposition and melting step. Temperatures are measured by thermocouples underneath the surface. The experiments are supported by a thermal finite element (FE) model that predicts the temperature field in the parts. When heating the parts uniformly with the laser beam, differences in surface temperatures as large as 170 K are observed. To overcome this inhomogeneity, the heat flux supplied by the laser beam is modulated. An optimized, spatial heat flow distribution is provided by the thermal FE model and translated into a scan pattern that reproduces the optimized heat distribution on the PBF-LB/M machine by locally modulating hatch distance and scan velocity. This successfully reduces the differences in surface temperature to 20 K. Thermographic imaging shows that a homogeneous surface temperature can be achieved despite the localized heat input by the beam. The potential for industrial application of the optimized laser-heating technique is discussed.
Durch pulverbasiertes Directed-Energy Deposition lassen sich Gradierungen fertigen, um diskrete Materialübergänge zu vermeiden und die Lebensdauer von Hartschichten zu erhöhen. Die Kombination aus Stahl als Basiswerkstoff und einer verschleiß- und korrosionsbeständigen Co-Cr Legierung verspricht durch Vermeiden von Spannungskonzentrationen das Verhindern von Abplatzungen und Rissen in der Schutzschicht. Um die Qualität des gefertigten Bauteils zu beurteilen, liegen für solche Funktional Gradierten Materialien (FGM) wenig Erkenntnisse vor. Daher wird im Rahmen dieser Studie eine Methodik erarbeitet, um die relative Dichte eines Funktional Gradierten Materials auf Stahl und Co-Cr Basis mittels Maschinendaten zu bestimmen. Anschließend wird unter Einsatz eines künstlichen neuronalen Netzes anhand von Sensordaten die relative Dichte vorhergesagt. Das trainierte Netz erreicht eine Vorhersagegenauigkeiten von 99,83%. Abschließend wird eine Anwendung anhand von einem Demonstrator gezeigt.
Als Beispiel für moderne Produktion ist die additive Fertigung (ugs. „3D-Druck“) bei der Herstellung von hochkomplexen metallischen Bauteilen, bionisch inspiriertem Leichtbau oder Prototypen nicht mehr wegzudenken. Die Qualitätssicherung (QS) von Bauteilen für sicherheitskritische Anwendungen stellt jedoch noch eine Herausforderung dar. Die Additive Fertigung (AM) ist ein vergleichsweise junges und datenintensives Fertigungsverfahren. Daher ist es ideal geeignet, die neuen Werkzeuge einer digitalen Qualitätsinfrastruktur (QI) für die moderne Produktion zu erproben und weiterzuentwickeln.