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.
Turbine blades often contain cylindric holes used to generate an air film that protects the blade alloy from the hot gases. These cooling holes of diameter around one mm are drilled by laser through the thickness of the blades. Unfortunately, the resulting stress concentration and the drilling-induced damage are known to favor crack initiation from the holes. It is thus necessary to assess the impact of these cooling holes on the structural integrity of the blades. Since cracks initiate very readily, the fatigue life of the components is mainly controlled by the propagation of the cracks in the stress gradient induced by the holes.
For this purpose, displacement controlled high-temperature LCF (Low-Cycle-Fatigue) tests were performed with center hole specimens of a coarse-grained Nickel base Superalloy. The tests were stopped after a defined load drop. In addition, crack propagation tests with Double Edge Notch specimens were performed. Moreover, specimens with different hole surface finishes were investigated, which showed a detrimental effect of the hole surface roughness. In parallel, an evaluation of the LCF tests based on a fracture mechanics-based model (Madia et al., Eng. Fract. Mech., 2018) has been applied. Thereby, the specimen life is controlled by the crack propagation time until failure. Crack growth is controlled by a modified NASGRO equation accounting for large-scale yielding and a progressive build-up of crack closure. The initial crack size has been derived from the measurements of defects around the borehole. A reasonable agreement between predicted and measured lifetimes is observed if one keeps in mind the large uncertainty regarding the effective shape of the cracks.
The scatter of fatigue crack growth data can become significant for coarse grained materials. By using a probabilistic description of crack propagation as the foundation of a lifetime prediction model, lifetime scatter of laboratory specimens can be reproduced. However, the lifetime of real components is subjected to additional scattering factors such as surface condition or uncertainty regarding direction and shape of emerging cracks. These factors need to be addressed in order to exploit the advantages of probabilistic description, i.e. the reduction of unnecessary conservatisms.
High temperature LCF (Low-Cycle-Fatigue) tests were performed with center hole specimens of a coarse-grained Nickel base Superalloy. In addition, crack propagation tests with Double Edge Notch specimens were performed. A procedure to detect the shape of the starting crack that combines the potential drop method and induction thermography was developed. The geometry and the number of notches were varied. Moreover, specimen with different hole surface finishes were investigated, which showed a detrimental effect of the roughness of the hole surface.
The results have been compared to predictions of a probabilistic tool for the estimation of lcf lifetime that has been calibrated beforehand on laboratory specimens with and without notches. In parallel, a fracture mechanics-based lifetime model was developed, which includes the initial crack size as a critical parameter. Thereby, the influence of the large grain size (>1mm), and the shape of the starting crack at the notch were considered.
Acknowledgements
The investigations are conducted as part of the joint research program COOREFLEX-Turbo in the frame of AG Turbo. The work is supported by Siemens AG and the Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) as per resolution of the German Federal Parliament under grant number 03ET7071E.
Tempered martensite-ferritic steels, such as the grade P92 steel studied in this contribution, exhibit pronounced macroscopic cyclic softening under isothermal low-cycle fatigue (LCF) and non-isothermal thermomechanical fatigue (TMF) conditions, which is considered to be the predominant degradation mechanism in high-temperature fatigue in this and other material groups. However, such softening processes are highly complex since microscopic (e.g., recovery) and macroscopic (e.g., crack initiation and growth), as well as global and local effects superimpose, especially under creep-fatigue conditions. In this contribution, we discuss the cyclic deformation and softening behavior of P92 in strain-controlled LCF, in-phase (IP) TMF, and out-of-phase (OP) TMF tests with and without dwell times in the temperature range from 300 °C to 620°C. EBSD-based dislocation analysis on various fatigued material states confirms the continuous redistribution and annihilation of geometrically necessary dislocations in all studied states, which can be quantitatively correlated with macroscopic softening despite different damage mechanisms for different test types. Deviations from this correlation are observed for OP TMF and LCF with dwell times, i.e., for conditions where optical microscopy reveals pronounced crack-oxidation interactions at the specimen surfaces.
Additive manufacturing (AM) is becoming increasingly important in engineering applications due to the possibility of producing components with a high geometrical complexity allowing for optimized forms with respect to the in-service functionality. Despite the promising potential, AM components are still far from being used in safety-relevant applications, mainly due to a lack of understanding of the feedstock-process-properties-performance relationship. This work aims at providing a full characterization of the fatigue behavior of the additively manufactured AISI 316L austenitic stainless steel and a direct comparison with the fatigue performance of the wrought steel. To this purpose, a set of specimens has been produced by laser powder bed fusion (L-PBF) and subsequently heat treated at 900 °C for 1 hour for complete stress relief, whereas a second set of specimens has been machined out of hot-rolled plates. Low cycle fatigue (LCF) and high cycle fatigue (HCF) tests have been conducted for characterizing the fatigue behavior. The L-PBF material had a higher fatigue limit and better finite life performance compared to wrought material. Both, LCF and HCF-testing revealed an extensive cyclic softening.
Die Untersuchung und Charakterisierung der Entwicklung/Änderung der Mikrostruktur, der mechanischen Eigenschaften sowie der Lebensdauer additiv gefertigter metallischer Werkstoffe hat bisher, vor allem im Hinblick auf die komplexe Belastungsfälle bei sicherheitsrelevanten Anwendungen, mit der rasanten Entwicklung der Fertigungstechniken nicht Schritt gehalten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens von additiv gefertigten TiAl6V4 im Low-Cycle-Fatigue Bereich (niederzyklische Ermüdung) nach Norm ISO 12206 mit Dehnungsamplituden von 0.3 bis zu 1.0 % und bei Raumtemperatur, 250°C und 400°C durchgeführt. Die TiAl6V4 Proben wurden aus zylindrischen Halbzeugen gefertigt, welche durch Laser-Pulver-Auftragsschweißen mit einer optimierten Aufbaustrategie hergestellt wurden. Die optimierte Aufbaustrategie beinhaltet variierende Spurüberlappungsgraden, die die Fertigung der dünnen zylindrischen Körper ohne weitere Ausgleichslagen ermöglicht. Das Werkstoffverhalten wird anhand von Wechselverformungskurven sowie einer Darstellung der Lebensdauer in einem Wöhler-Diagramm beschrieben. Ein Fitting der Lebensdauer-Daten erfolgt anhand der Manson-Coffin-Basquin Beziehung. Eine Eingangscharakterisierung der mikrostrukturellen Merkmale inklusive Bindefehler aus dem Herstellungsprozess wird durch Lichtmikroskopie und hochauflösende Computertomographie (CT) durchgeführt. Der Versagensmechanismus während der Belastung wird anhand von Zwischenuntersuchungen mit CT und einem unterbrochenen Versuch mit ausgewählten Versuchsparametern beschrieben. Nach dem Versagen wurden die Proben am REM, mit Lichtmikroskopie und mit CT fraktographisch in Längs- und Querrichtung untersucht. Die erfassten Lebensdauern sind ähnlich zu denen aus herkömmlichen Studien und liegen unter derjenigen von dem konventionell hergestellten (geschmiedeten) Werkstoff. In dieser Arbeit wurden für den untersuchten Werkstoff bei anwendungs- und sicherheitsrelevanten Belastungszuständen (hohe Temperaturen, zyklische Plastizität) neue experimentelle Daten und Kennwerte ermittelt und Verständnis über das mechanische Verhalten und die Entwicklung der Mikrostruktur aufgebaut. Darüber hinaus wurde Verständnis über die Rolle von Bindefehlern und anderen typisch für AM auftretenden Gefügemerkmalen auf das Versagensverhalten von DED-L TiAl6V4 gewonnen.
Die Untersuchung und Charakterisierung der Entwicklung/Änderung der Mikrostruktur, der mechanischen Eigenschaften sowie der Lebensdauer additiv gefertigter metallischer Werkstoffe hat bisher, vor allem im Hinblick auf die komplexe Belastungsfälle bei sicherheitsrelevanten Anwendungen, mit der rasanten Entwicklung der Fertigungstechniken nicht Schritt gehalten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens von additiv gefertigten TiAl6V4 im Low-Cycle-Fatigue Bereich (niederzyklische Ermüdung) nach Norm ISO 12206 mit Dehnungsamplituden von 0.3 bis zu 1.0 % und bei Raumtemperatur, 250°C und 400°C durchgeführt. Die TiAl6V4 Proben wurden aus zylindrischen Halbzeugen gefertigt, welche durch Laser-Pulver-Auftragsschweißen mit einer optimierten Aufbaustrategie hergestellt wurden. Die optimierte Aufbaustrategie beinhaltet variierende Spurüberlappungsgraden, die die Fertigung der dünnen zylindrischen Körper ohne weitere Ausgleichslagen ermöglicht. Das Werkstoffverhalten wird anhand von Wechselverformungskurven sowie einer Darstellung der Lebensdauer in einem Wöhler-Diagramm beschrieben. Ein Fitting der Lebensdauer-Daten erfolgt anhand der Manson-Coffin-Basquin Beziehung. Eine Eingangscharakterisierung der mikrostrukturellen Merkmale inklusive Bindefehler aus dem Herstellungsprozess wird durch Lichtmikroskopie und hochauflösende Computertomographie (CT) durchgeführt. Der Versagensmechanismus während der Belastung wird anhand von Zwischenuntersuchungen mit CT und einem unterbrochenen Versuch mit ausgewählten Versuchsparametern beschrieben. Nach dem Versagen wurden die Proben am REM, mit Lichtmikroskopie und mit CT fraktographisch in Längs- und Querrichtung untersucht. Die erfassten Lebensdauern sind ähnlich zu denen aus herkömmlichen Studien und liegen unter derjenigen von dem konventionell hergestellten (geschmiedeten) Werkstoff. In dieser Arbeit wurden für den untersuchten Werkstoff bei anwendungs- und sicherheitsrelevanten Belastungszuständen (hohe Temperaturen, zyklische Plastizität) neue experimentelle Daten und Kennwerte ermittelt und Verständnis über das mechanische Verhalten und die Entwicklung der Mikrostruktur aufgebaut. Darüber hinaus wurde Verständnis über die Rolle von Bindefehlern und anderen typisch für AM auftretenden Gefügemerkmalen auf das Versagensverhalten von DED-L TiAl6V4 gewonnen.
Die warmfeste austenitische Gusseisenlegierung EN-GJSA-XNiSiCr35-5-2 (häufig auch als Ni-Resist D-5S bezeichnet) wurde hinsichtlich ihres mechanischen Verhal-tens bei hoher Temperatur charakterisiert. Dazu wurden (isotherme) niederzyklische (LCF-) und (nicht-isotherme) thermomechanische Ermüdungsversuche (TMF) zwischen Raumtemperatur und 900 °C durchgeführt. Diese Ergebnisse dienten (zu-sammen mit weiteren Versuchsdaten) der Kalibrierung werkstoffmechanischer Modelle. Bei den höchsten Prüftemperaturen wurde Schädigung in Form von Kriechen beobachtet und metallographisch dokumentiert.
Es konnte anhand einer numerischen Voruntersuchung gezeigt werden, dass anhand der kombinierten Auswertung der im Versuch verwendeten Sensorik eine Einteilung der unter Ermüdung in Bohrlochproben auftretenden Rissformen in verschiedene Hauptkategorien (Eckriss, Oberflächenriss, Durchgangsriss) möglich ist.