Evolution of type II residual strains in dependence on the microstructure of nickel base superalloys
Final Report Abstract
In diesem Forschungsprojekt wurde die Entwicklung von Eigendehnungen in den Nickel-Superlegierungen Inconel 718 und Haynes 282 mit der Mikrostruktur der Legierungen korreliert und durch ein mikromechanisches Modell, welches das lokale mechanische Verhalten auf Kornniveau beschreibt, abgebildet. Um Gitterdehnungen tief im Inneren von Bauteilen während der Zugbelastung zu bestimmen, wurden Neutronenbeugungsexperimente durchgeführt. Durch den Einsatz einer Eulerwiege konnte erstmals die Gitterdehnung von Kristalliten in fünf unterschiedlichen Winkeln zur Zugrichtung gemessen werden. Zur Interpretation dieser Diffraktionsdaten wurde die Mikrostruktur mittels hochauflösender mikroskopischer Messverfahren (Elektronenmikroskopie, Atomsondentomographie und Kleinwinkelneutronenstreuung) untersucht. Die gewonnenen Mikrostrukturparameter wurden für die begleitende mikromechanische Modellbildung benötigt, um die experimentell ermittelten Eigenspannungsentwicklungen durch ein kontinuumsmechanisches Modell abzubilden. Durch Optimierung der Eingangsparameter für die Simulationen, konnte das mikromechanische Verhalten beider Legierungen beinahe vollständig beschrieben werden. Allerdings zeigt die Legierung Haynes 282, im Gegensatz zur Legierung Inconel 718, ausgeprägte Fließerscheinungen sowohl auf makroskopischem als auch auf mikroskopischem Niveau. Um dieses entfestigende Verhalten zu simulieren war es nötig, das empirische Potenzgesetz, welches die Zeitentwicklung des Widerstands gegen Versetzungsgleiten beschreibt, zu modifizieren. Für die Zukunft wird eine Erweiterung auf eine versetzungsdichtebasierte Beschreibung der Kristallplastizität an dieser Stelle als sinnvoll angesehen. Die gewonnenen Erkenntnisse zur Messung und Vorhersage von Eigendehnungen wurden in der zweiten Projektphase auf die Untersuchung anderer Materialsysteme übertragen werden. Hierfür wurden zum einen ausscheidungsgehärtete ferritische Superlegierungen und zum anderen additiv gefertigte Co-Cr-W Legierungen ausgewählt. Die limitierte Messzeit am Forschungsneutronenreaktor erlaubte es nicht ähnlich vollständige Diffraktionsdaten zu erreichen. Dennoch wurden mehrere Arbeiten, welche umfassende Untersuchungen der Mikrostruktur der vorgeschlagenen Materialsysteme präsentieren, veröffentlicht. Dabei wurden insbesondere zwei neue Verfahren zur hochauflösenden mikroskopischen Analyse kleinster härtender Ausscheidungen mittels Atomsondentomographie entwickelt. Die Erkenntnisse dieser Studien lassen sich auf beliebige Legierungen übertragen und bieten zusätzlich eine neue Möglichkeit für die interne Kalibierung der Parameter einer genaue Volumenrekonstruktion der Atomsondendaten.
Publications
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(2019). Differentiation of γ′- and γ″- precipitates in Inconel 718 by a complementary study with small-angle neutron scattering and analytical microscopy. Acta Materialia 163, 28–39
Lawitzki, R.; Hassan, S.; Karge, L.; Wagner, J.; Wang, D.; Kobylinski, J. von; Krempaszky, C.; Hofmann, M.; Gilles, R.; Schmitz, G.
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Micromechanical behaviour of Ni-based superalloys close to the yield point: a comparative study between neutron diffraction on different polycrystalline microstructures and crystal plasticity finite element modelling. Continuum Mechanics and Thermodynamics 31, 691– 702
Kobylinski, J.; Lawitzki, R. Hofmann, M.; Krempaszky, C.; Werner, E.
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(2020). Microstructural Development and Mechanical Properties of Selective Laser Melted Co– Cr–W Dental Alloy. BT - TMS 2020 149th Annual Meeting & Exhibition Supplemental Proceedings. 195–202
Hitzler L., Von Kobylinski J., Lawitzki R., Krempaszky C., Werner E.
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Relationship between Phase Fractions and Mechanical Properties in Heat-Treated Laser Powder-Bed Fused Co-Based Dental Alloys. Israel Journal of Chemistry 60, 607–614
Kobylinski, J.; Hitzler, L.; Lawitzki, R.; Krempaszky, C.; Öchsner, A.; Werner, E.
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(2021). Compensating local magnifications in atom probe tomography for accurate analysis of nano-sized precipitates. Microscopy and Microanalysis 27 (3), 499–510
Lawitzki, R.; Stender, P.; Schmitz, G.
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(2021). In-Situ XRD Study of Phase Transformation Kinetics in a Co-Cr-W-Alloy Manufactured by Laser Powder-Bed Fusion. Cystals 11 (2), 499–510
Hegele, P.; Von Kobylinski, J.; Hitzler, L.; Krempaszky, C.; Werner, E.
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(2021). On the formation of nano-sized precipitates during cooling of NiAl- strengthened ferritic alloys. Materials Characterization 171, 110722
Lawitzki, R.; Beinke, D.; Wang, D.; Schmitz, G.
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Analysis of nickel and iron based superalloys on smallest length scales, Dissertation, Universität Stuttgart 2021
Lawitzki, R.
