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