Verbundvorhaben: SAPHIR - Simulationsmethoden zum additiven Prozessieren von Hochtemperaturlegierungen - Mikrostruktur, In-service-Eigenschaften und Reparatur; Teilvorhaben: Ortsaufgelöste Mikrostruktursimulation bei Erstarrung, thermischer Last im Einsatz und Reparatur

Abstract

Stand der Wissenschaft im Bereich Gefügesimulation additiver Prozesse zu Beginn des Vorhabens war, dass die Gefügeentwicklung nur punktweise bzw. exemplarisch für konstante Kühlbedingungen, die aus Experimenten geschätzt oder aus Prozesssimulationen ermittelt werden, simuliert werden konnte. Dadurch war es nicht möglich, die Gefügeentwicklung über die gesamte Dicke der Schichten oder gar die Vermittlung zwischen den Schichten zu adressieren. Zudem waren keine Arbeiten zur Gefügeentwicklung bei Wärmebehandlung und Betrieb basierend auf dem Erstarrungsgefüge bekannt. Deshalb war es ein Ziel dieses Teilvorhabens, eine durchgehende Simulation für einen mehrstufigen Aufbau beim L-PBF-Prozess zu entwickeln, das neben der Vererbung des Gefüges von einer Schicht zur nächsten auch die Kornneubildung durch Fragmentierung erlaubt. Dies wurde vor allem durch die Entwicklung eines 1d-Zylindermodells für die thermische Lösung ermöglicht, wodurch der Übergang vom Aufschmelzen zum Erstarren adressiert und der Einfluss der latenten Wärme richtig berücksichtigt werden kann. Zur Beschreibung der Fragmentierung beim Aufschmelzen des Gefüges der vorhergehenden Schicht, die zur Neukornbildung führt, wurde durch systematische Variation der Orientierungsverhältnisse zwischen den Temperaturgradienten der verschiedenen Schichten und der Dendritenorientierung ein semi-empirisches Modell abgeleitet. Die Simulationen wurden auch in 3D durchgeführt, um eine bessere Abbildung der Fragmentierung zu ermöglichen und basierend auf den Ergebnissen auch eine 3D-Gefügeentwicklung bei der Wärmebehandlung und im Betrieb anschließen zu können. Auf diesem Weg konnte das Ziel des Gesamtprojektes, eine durchgehende Simulation vom Gefüge zu den Eigenschaften, erreicht werden. Die neu entwickelten Submodelle wurden durch Implementierung in der Gefügesimulationssoftware MICRESS® den Industriepartnern sowie allen Nutzern dieser Software zugängig gemacht Datei-Upload durch TIB The state of the art in the field of microstructure simulation of additive processes at the beginning of the project was that the microstructure development could only be simulated pointwise or exemplarily for constant cooling conditions, which are estimated from experiments or determined from process simulations. As a result, it was not possible to address the microstructure development over the entire thickness of the layers or even the mediation between the layers. In addition, no work on microstructure development during heat treatment and service based on the solidification structure was known. Therefore, one goal of this subproject was to develop a continuous simulation model for a multi-stage building process in the L-PBF process, which allows not only the inheritance of the structure from one layer to the next, but also the formation of new grains through fragmentation. This was mainly made possible by the development of a 1d cylinder model for the thermal solution, which allows the transition from melting to solidification to be addressed and the influence of latent heat to be properly considered. To describe the fragmentation during melting of the structure of the preceding layer, which leads to the formation of new grains, a semi-empirical model was derived by systematically varying the orientation relationships between the temperature gradients of the different layers and the dendrite orientation. The simulations were also carried out in 3D in order to better describe the fragmentation process and to be able to follow up the 3D microstructure development during heat treatment and operation based on the results. In this way, the goal of the overall project, a continuous simulation of the structure to the properties, could be achieved. By implementing them into the microstructure simulation software MICRESS®, the newly developed sub-models were made available to industrial partners and all users of this software.