Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Most of the Al alloys used in additive manufacturing (AM), in particular Laser Powder Bed Fusion (LPBF), do not exceed a strength of 200 MPa, whereas conventionally high-performance alloys exhibit strengths exceeding 400 MPa. The availability of such Al alloys in AM is limited due to difficulties in printability, requiring synergetic material and AM process development to satisfy harsh processing conditions during LPBF [1]. One approach is the addition of reinforcement to the based powder, allowing tailoring composition and properties of a Metal Matrix Composite (MMC) by AM. Still, the effect of the reinforcement on the resulting mechanical properties must be studied to understand the performance and limits of the newly developed material. The goal of this work was to investigate the failure mechanism of LPBF Al-based MMC material using in-situ Synchrotron X-ray Computed Tomography (SXCT) during mechanical testing.
Additively manufactured (AM) metallic sheet-based Triply Periodic Minimal Surface Structures (TPMSS) meet several requirements in both bio-medical and engineering fields: Tunable mechanical properties, low sensitivity to manufacturing defects, mechanical stability, and high energy absorption. However, they also present some challenges related to quality control. In fact, the optimization of both the AM process and the properties of TPMSS is impossible without considering structural characteristics as manufacturing accuracy, internal defects, and as well as surface topography and roughness. In this study, the quantitative non-destructive analysis of TPMSS manufactured from Ti-6Al-4V alloy by electron beam melting was performed by means of laboratory X-ray computed tomography (XCT).
In this work, we present the recent in-situ imaging developments at the BAMline (of synchrotron BESSY II, HZB), focused on the in-situ characterization and understanding of microstructural evolution of additively manufactured materials subjected to different environments. Two show cases are presented. In the first, X-ray refraction radiography (SXRR) was combined with in-situ heat treatment to monitor the microstructural evolution as a function of temperature in a laser powder bed fusion (LPBF) manufactured AlSi10Mg alloy. We show that SXRR allows detecting the changes in the Si-phase morphology upon heating using statistically relevant volumes. SXRR also allows observing the growth of pores (i.e., thermally induced porosity), usually studied via X-ray computed tomography (XCT), but using much smaller fields-of-view. In the second case study, XCT was combined with in-situ tensile test to investigate the damage mechanism in a LPBF Aluminum Metal Matrix Composite (MMC). In-situ SXCT test disclosed the critical role of the defects in the failure mechanism along with pre-cracks in the reinforcement phase of MMC. We found that cracks were initiated from lack-of-fusion defects and propagated through coalescence with other defects.
The availability of high-performance Al alloys in AM is limited due to difficulties in printability, requiring both the development of synergetic material and AM process to mitigate problems such as solidification cracking during laser powder bed fusion (LPBF). The goal of this work was to investigate the failure mechanism in a LPBF 7017 Aluminium alloy + 3 wt% Zr + 0.5 wt% TiC. The processing leads to different categories of Zr-rich inclusions, precipitates and defects.
Als bildgebendes und zerstörungsfreies Verfahren eignet sich die Röntgen-Computertomographie (CT) insbesondere bei der Untersuchung von Kunst- und Kulturgütern. Die für Werkstoffprüfung und Materialanalyse konzipierten CT-Anlagen bieten dank hoher Röntgenleistung die Möglichkeit zusätzlich zu Holz, Keramiken und Kunststoffen auch stark schwächende Materialien, wie bspw. Metalle, zu durchdringen. Für eine hohe räumliche Auflösung im unteren Mikrometerbereich (2-200µm) sorgen entsprechend ausgelegte CT-Anlagen. In der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) stehen mehrere solcher CT-Anlagen für unterschiedliche Fragestellungen sowie Probengrößen und - materialien zur Verfügung. Einige Beispiele aus den vergangenen Arbeiten der BAM veranschaulichen das große Potential dieser Untersuchungsmethode.
Da bei einer CT-Messung in der Regel das gesamte Untersuchungsobjekt erfasst und in ein digitales Volumenmodell überführt wird, eröffnet sich für Archäologen und Restoratoren die Möglichkeit Untersuchungen hinsichtlich Materialzusammensetzung, Erhaltungszustand und Herstellungstechnik am virtuellen Objekt vorzunehmen, ohne die Originalsubstanz zu beeinträchtigen. Gegenüber der klassischen Radiografie, bei der nur eine zweidimensionale Abbildung erreicht wird, bietet die CT-Untersuchung die Möglichkeit innenliegende Strukturen dreidimensional zu erfassen. Die notwendige Bestimmung der Objektoberfläche erlaubt zudem die Erstellung eines Oberflächenmodells des untersuchten Gegenstandes. Damit lassen sich unter anderem mechanische Simulationen (Belastung, Durchbiegung, Durchströmung) durchführen. Der erzeugte Datensatz kann somit auch zur Herstellung eines Replikats im 3D-Druckverfahren genutzt werden. Anhand der Untersuchung der Mandoline von Smorsone wird gezeigt, wie eine CT-Messung durchgeführt wird und wie in dem anschließend rekonstruierten 3D-Datensatz mittels Koordinatenmesstechnik Maße (Abstände, Wandstärken, Winkel) exakt ermittelt werden können.
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.
Al-Si alloys produced by Laser Powder Bed Fusion (PBF-LB/M) techniques allow the fabrication of lightweight free-shape components. Due to the extremely heterogeneous cooling and heating, PBF-LB/M induces high magnitude residual stress (RS) and a fine Si microstructure. As the RS can be deleterious to the fatigue resistance of engineering components, great efforts are focused on understanding their evolution before and after post-process heat treatments (HT).
The complexity of any microstructural characterization significantly increases when there is a need to evaluate the microstructural evolution as a function of temperature. To date, this characterization is primarily performed by undertaking elaborative ex-situ experiments where the material’s heating procedure is interrupted at different temperatures or times. Moreover, these studies are often limited to a region smaller than the representative elementary volume, which can lead to partial or even biased interpretations of the collected data. This limitation can be greatly overcome by using in-situ synchrotron X-ray refraction (SXRR). In this study, SXRR has been combined with in-situ heat treatment to monitor the porosity evolution as a function of temperature. It is shown that SXRR is a robust and straightforward method for time-resolved (3-5 min required per scan) evaluation of thermally induced microstructural changes over macroscopically relevant volumes.
The complexity of any microstructural characterization significantly increases when there is a need to evaluate the microstructural evolution as a function of temperature. To date, this characterization is primarily performed by undertaking elaborative ex-situ experiments where the material’s heating procedure is interrupted at different temperatures or times. Moreover, these studies are often limited to a region smaller than the representative elementary volume, which can lead to partial or even biased interpretations of the collected data. This limitation can be greatly overcome by using in-situ synchrotron X-ray refraction (SXRR). In this study, SXRR has been combined with in-situ heat treatment to monitor the porosity evolution as a function of temperature. This technique is a robust and straightforward method for time-resolved (3-5 min required per scan) evaluation of thermally induced microstructural changes over macroscopically relevant volumes.
In Hinblick auf den austenitischen Stahl AISI 316L erzeugt das pulverbettbasierte selektive Laserstrahlschmelzen, als ein additives Fertigungsverfahren, kristallographisch texturierte und Multiskalige Mikrostruktur. Einerseits können diese Mikrostrukturen zu einer Verbesserung der statischen mechanischen Eigenschaften führen (z. B. zu einer höheren Streckgrenze). Andererseits stehen diesen Verbesserungen der mechanischen Eigenschaften hohe Eigenspannungen gegenüber, die sich nachteilig auf das Ermüdungsverhalten auswirken können. Zur Reduzierung der Eigenspannungen und der daraus resultierenden negativen Auswirkungen auf die Ermüdungseigenschaften, werden Bauteile nach der Herstellung typischerweise wärmebehandelt. In dieser Studie wurde eine niedrige Wärmebehandlungstemperatur von 450°C höher temperierten Behandlungen bei 800 °C und 900 °C gegenübergestellt. Diese Wärmebehandlungstemperaturen bilden die oberen und die untere Grenze ein Spannungsarmglühendes Materials, ohne die prozessinduzierte Mikrostruktur signifikant zu verändern. Zusätzlich bieten diese Temperaturen den Vorteil, dass sie eine übermäßige intergranulare Ausscheidung von Karbiden und TCP-Phasen vermeiden, die zu einer Sensibilisierung des Werkstoffes gegen korrosive Umgebungen führen würden. Die Auswirkungen der Wärmebehandlung auf das Gefüge wurden mittels Rasterelektronenmikroskopie (BSE und EBSD) untersucht. Die Relaxation der Eigenspannungen wurde vor und nach den jeweiligen Wärmebehandlungen bei 800°C und 900°C mittels Neutronenbeugung charakterisiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Proben nach der Wärmebehandlung bei 900 °C nahezu spannungsfrei sind, was mit der Auflösung der zellularen Substruktur korreliert.