Simulation zeitabhängiger Temperaturfelder und Eigenspannungen in sprühkompaktierten Ni-Basiswerkstoffen
Final Report Abstract
Während der Projektlaufzeit entstanden vielfältige Tools zur Berechnung der Temperatur und der Eigenspannung in Depositen. Ergänzt wurden diese Tools durch einfache jedoch sehr effektive Modelle zur Berechnung der Substrattemperatur zum Zeitpunkt des Kompaktierens und der Korrelation der induktiven Heizleistung mit gewünschten Deposittemperaturen. Die Temperaturberechnung in einem Volumenelement (oder endlichem Volumen) mittels gewöhnlicher Differentialgleichungen und zeitabhängigen Konvektions‐ und Strahlungsbedingungen auf den wärmeaustauschenden Flächen liefern schnell aussagekräftige Ergebnisse zum zeitlichen Verlauf der Temperatur im Volumen. Die Ergebnisse sind auch zur Entwicklung von Steuerungsalgorithmen geeignet, bei der sich eine Substratheizung mit dem Sprühkegel mit bewegt. Die Heizung kann so ausgelegt werden, dass eine ausreichend hohe Substrattemperatur zum Zeitpunkt des Kompaktierens gewährleistet ist. Für große Depositschichten, bei denen der Temperaturgradient in Materialdickenrichtung berücksichtigt werden muss, muss die partielle Differentialgleichung für eine Koordinatenrichtung gelöst werden. Temperaturabhängige Materialkennwerte sind in den Modellen vorgesehen. Die direkte Berechnung der notwendigen Nettoheizleistung bei der Wärmebehandlung des Deposits ist ohne die vorherige Bestimmung der gewünschten Oberflächentemperaturen in dem separaten Berechnungstool nicht möglich. Die Anpassung der Heizleistung im Finite‐Elemente‐Modell kann nur iterativ und mit hohem Rechenzeitbedarf durchgeführt werden. Eine definierte Abkühlrate kann nicht im Finite‐Elemente‐Modell direkt eingestellt werden. Im Projekt sind somit Tools entwickelt worden, die eine kontrollierte Temperaturführung nach Abschluss der Kompaktierphase während einer Wärmebehandlung gewährleisten. Die entwickelten und eingesetzten Finite‐Elemente‐Modelle (1D‐Modell, axialsymmetrisches Modell, Scheibenmodell) besitzen jeweils ihre spezifischen Charakteristika. Das 1D‐Modell ermöglicht die hoch orts‐ und zeitaufgelöste Bestimmung der Temperaturfelder in den jeweiligen Schichten. Daraus kann die Dynamik der Wärmeströme zwischen alter / neuer Depositschicht bestimmt werden. Das axialsymmetrische Modell stellt bei moderater örtlicher und zeitlicher Auflösung die transienten Temperaturen gut dar. Die sinnvolle Berechnung der gesamten Prozesskette (Substratvorheizung, Sprühprozess, Wärmebehandlung) ist nur mit diesem Tool möglich. Das Scheibenmodell besitzt die gleiche zeitliche Auflösung wie das 1D‐Modell, wobei die radiale Auflösung um eine Größenordnung geringer ist. Das notwendige Remeshing erlaubt es nicht, dieses Modell für Eigenspannungsberech‐ nungen einzusetzen. In allen drei Finite‐Elemente‐Modellen ist der Massen‐ und Enthalpieeintrag identisch. Die konsequente Anwendung dieses konsistenten Massen‐ und Enthalpieeintrags macht erst die Vergleichbarkeit der Ergebnisse aus allen drei Finite‐Elemente‐Modellen möglich. Die thermischen Materialparameter sind temperaturabhängig. Die Eigenspannungsberechnungen erfolgten mit dem axialsymmetrischen Modell. Die transienten Temperaturfelder stellen die Lasten für die mechanische Berechnung dar. Temperaturabhängige Materialkennwerte sind bis ca. 1100° C aus der Literatur bekannt. Werte bei höheren Temperaturen wurden extrapoliert. Es zeigte sich, dass die Art der Abkühlung der entscheidende Parameter für die sich ausbildenden Eigenspannungen sind. Bei zu kurzen Abkühlzeiten kommt es zur zwischenzeitlichen Ausbildung von hohen Eigenspannungen, die das Material schädigen können. Die Abkühlbedingungen zeigen einen geringen Einfluss auf die Eigenspannungen im vollständig abgekühlten Material. Eine geeignete Temperaturführung des Deposits nach dem Sprühprozess verringert die Eigenspan‐ nungen signifikant. Für die verbleibenden Spannungen scheint im Wesentlichen die Höhe der Wärmebehandlungstemperatur ursächlich zu sein. Die Abkühlbedingungen sind von untergeordneter Bedeutung. Die Sprühversuche haben gezeigt, dass es bei zu heißen Sprühbedingungen notwendig ist, die Enthalpie des auftreffenden Metallmassenstroms durch eine Scannbewegung des Sprühkegels zu reduzieren. Die Scannbewegung bewirkt, dass das auftreffende Metall über einen größeren Rohrabschnitt verteilt wird. Die Erweiterung der vorhandenen Tools für die automatische Generierung der Geometrie auf diesen Anwendungsfall (scannender Sprühkegel) erscheint sehr sinnvoll. Notwendig hierfür ist die Neuberechnung des Masseneintrags einschließlich der Modifikation der Enthalpieverteilung im auftrefenden Metall. Die Scannfrequenz des Sprühkegels muss wesentlich höher sein als die Rotationsfrequenz. Die Ausweitung des Bereichs, der mit Material bedeckt wird, bedingt eine Verringerung der lokalen Schichtdicken des Deposits. Daraus können Probleme erwachsen (Aspektverhältnis der Elemente, Gesamtanzahl der Elemente im Modell), die die Rechenzeiten erhöhen und die numerische Stabilität beeinträchtigen. In den letzten Jahren ist damit begonnen worden, Deposite aus mehreren Lagen zu sprühen. Hierbei ist der feste Verbund zwischen den beiden Lagen und dem Substrat von besonderer Bedeutung. Der Verbund ist sowohl eine Funktion der Oberflächeneigenschaften des Substrats bzw. der ersten Materiallage aber auch abhängig von den sich ergebenden Spannungen an der Grenzfläche. Die vorhande ne Möglichkeit zur Berechnung der Eigenspannungen kann auf diese Anwendungsfälle übertragen werden. Das Tool zur Erzeugung der Geometrie muss dafür auf diesen Anwendungsfall erweitert werden. Die Möglichkeit der Simulation der gesamten Prozesskette (Substratvorheizung, Sprühkompaktierprozess, Abkühlung bzw. Wärmebehandlung) erlaubt es, die Temperaturbedingungen für sehr spröde Materialien zu optimieren und damit Risse im Deposit zu vermeiden. Notwendig sind hierfür aussagekräftige Spannungs‐Dehnungskurven für den interessierenden Temperaturbereich. In einem ersten Schritt können mit angepassten hypothetischen temperaturabhängigen Materialkennwerten wertvolle Aussagen über die sich ergeben Dehnungen und Spannungen im Deposit getroffen werden. Auf Grundlage dieser Berechnungen können Spannungszustande identifiziert werden, die zu Rissen führen. Der entwickelte Algorithmus für die Wärmebehandlung von Depositen basiert auf den sich einstellenden Gleichgewichtstemperaturen zwischen Induktor und Deposit. Die realisierbaren Angleichungszeiten zwischen zwei Temperaturniveaus können nicht frei gewählt werden, sondern sind Eigenschaften des Systems (Masse und mittlere Temperatur des Deposits, Strahlungsgeometrie). Eine Erweiterung der Simulation der Temperaturführung während des Wärmebehandlungsprozesses auf der Grundlage von nicht Gleichgewichtszuständen erscheint äußerst sinnvoll.
Publications
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Uhlenwinkel, V., C. Meyer, A. Schulz, R. Ristau, H. R. Müller, P. Jahn, W. Trojahn, D. Hesse and P. Krug
