TY - THES A1 - Schröder, Jakob T1 - Fundamentals of diffraction-based residual stress and texture analysis of laser powder bed fused Inconel 718 T1 - Grundlagen der beugungsbasierten Eigenspannungs- und Texturanalyse von laserstrahlgeschmolzenem Inconel 718 N2 - Additive manufacturing (AM) processes enable the production of metal structures with exceptional design freedom, of which laser powder bed fusion (PBF-LB) is one of the most common. In this process, a laser melts a bed of loose feedstock powder particles layer-by-layer to build a structure with the desired geometry. During fabrication, the repeated melting and rapid, directional solidification create large temperature gradients that generate large thermal stress. This thermal stress can itself lead to cracking or delamination during fabrication. More often, large residual stresses remain in the final part as a footprint of the thermal stress. This residual stress can cause premature distortion or even failure of the part in service. Hence, knowledge of the residual stress field is critical for both process optimization and structural integrity. Diffraction-based techniques allow the non-destructive characterization of the residual stress fields. However, such methods require a good knowledge of the material of interest, as certain assumptions must be made to accurately determine residual stress. First, the measured lattice plane spacings must be converted to lattice strains with the knowledge of a strain-free material state. Second, the measured lattice strains must be related to the macroscopic stress using Hooke's law, which requires knowledge of the stiffness of the material. Since most crystal structures exhibit anisotropic material behavior, the elastic behavior is specific to each lattice plane of the single crystal. Thus, the use of individual lattice planes in monochromatic diffraction residual stress analysis requires knowledge of the lattice plane-specific elastic properties. In addition, knowledge of the microstructure of the material is required for a reliable assessment of residual stress. This work presents a toolbox for reliable diffraction-based residual stress analysis. This is presented for a nickel-based superalloy produced by PBF-LB. First, this work reviews the existing literature in the field of residual stress analysis of laser-based AM using diffraction-based techniques. Second, the elastic and plastic anisotropy of the nickel-based superalloy Inconel 718 produced by PBF-LB is studied using in situ energy dispersive synchrotron X-ray and neutron diffraction techniques. These experiments are complemented by ex situ material characterization techniques. These methods establish the relationship between the microstructure and texture of the material and its elastic and plastic anisotropy. Finally, surface, sub-surface, and bulk residual stress are determined using a texture-based approach. Uncertainties of different methods for obtaining stress-free reference values are discussed. The tensile behavior in the as-built condition is shown to be controlled by texture and cellular sub-grain structure, while in the heat-treated condition the precipitation of strengthening phases and grain morphology dictate the behavior. In fact, the results of this thesis show that the diffraction elastic constants depend on the underlying microstructure, including texture and grain morphology. For columnar microstructures in both as-built and heat-treated conditions, the diffraction elastic constants are best described by the Reuss iso-stress model. Furthermore, the low accumulation of intergranular strains during deformation demonstrates the robustness of using the 311 reflection for the diffraction-based residual stress analysis with columnar textured microstructures. The differences between texture-based and quasi-isotropic approaches for the residual stress analysis are shown to be insignificant in the observed case. However, the analysis of the sub-surface residual stress distributions show, that different scanning strategies result in a change in the orientation of the residual stress tensor. Furthermore, the location of the critical sub-surface tensile residual stress is related to the surface roughness and the microstructure. Finally, recommendations are given for the diffraction-based determination and evaluation of residual stress in textured additively manufactured alloys. N2 - Additive Fertigungsverfahren (AM) ermöglichen die Herstellung von Metallstrukturen mit außergewöhnlicher Gestaltungsfreiheit, wobei das pulverbettbasierte Laserstrahlschmelzen (PBF-LB) eines der gängigsten dieser Verfahren darstellt. In diesem Verfahren schmilzt ein Laser ein Pulverbett schichtweise auf, um ein Bauteil mit der gewünschten Geometrie zu erzeugen. Während der Fertigung kommt es aufgrund des wiederholten Aufschmelzens und der schnellen, gerichteten Erstarrung zu hohen Temperaturgradienten, die hohe thermische Spannungen erzeugen. Einerseits können diese thermischen Spannungen während des Fertigungsprozesses zur Rissbildung oder zur Ablösung des Bauteils führen. Häufiger jedoch verbleiben große Eigenspannungen im gefertigten Bauteil als Folge der thermischen Spannungen. Diese Eigenspannungen begünstigen die Verzerrung der Bauteile und können sogar ihr vorzeitiges Versagen im Betrieb verursachen. Daher ist die Kenntnis der Eigenspannungsverteilung im Bauteil sowohl für die Prozessoptimierung als auch die strukturelle Integrität bedeutend. Beugungsbasierte Verfahren ermöglichen die zerstörungsfreie Bestimmung des Eigenspannungsfeldes. Diese Verfahren erfordern jedoch eine vorhergehende Kenntnis der Materialeigenschaften, da gewisse Annahmen getroffen werden müssen, um die Eigenspannungen genau bestimmen zu können. Zunächst müssen aus den gemessenen Abständen der Gitterebenen Gitterdehnungen berechnet werden, wozu der dehnungsfreie Referenzzustand bekannt sein muss. Weiterhin müssen die Gitterdehnungen über das Hookesche Gesetz, unter Bezugnahme der elastischen Eigenschaften, in Spannungen überführt werden. Da die meisten Kristallstrukturen durch ein anisotropes Verhalten gekennzeichnet sind, ist ihr elastisches Verhalten für jede Gitterebene spezifisch. Deshalb bedarf es bei der Nutzung monochromatischer Strahlung zur beugungsbasierten Eigenspannungsbestimmung der Kenntnis der gitterebenenspezifischen elastischen Eigenschaften. Zusätzlich ist das Wissen über die Mikrostruktur des Materials unabdingbar für eine zuverlässige Bestimmung der Eigenspannungen. Die vorliegende Arbeit präsentiert eine Reihe von Bedingungen, die für eine zuverlässige beugungsbasierte Eigenspannungsanalyse notwendig sind. Dies wird exemplarisch an einer mittels PBF-LB gefertigten Nickelbasis Superlegierung gezeigt. Einleitend wird ein Überblick der Literatur im Bereich der beugungsbasierten Eigenspannungsanalyse mit Bezug zur additiven Fertigung gegeben. Anschließend wird die elastische und plastische Anisotropie der mittels PBF-LB gefertigten Nickelbasis Superlegierung Inconel 718 durch in situ energiedispersive Synchrotron Röntgen- und Neutronenbeugung charakterisiert. Diese Methoden werden durch ex situ Untersuchungsverfahren ergänzt. So wird die Beziehung zwischen der Mikrostruktur und der Textur zur elastischen und plastischen Anisotropie hergestellt. Abschließend werden die Oberflächen-, oberflächennahen-, sowie Volumeneigenspannungen in einem texturbasierten Ansatz bestimmt. Dabei werden Unsicherheiten verschiedener Methoden zur Bestimmung der spannungsfreien Referenz diskutiert. Das mechanische Verhalten unter Zugbelastung des as-built Zustandes ist dabei durch die Textur und die zelluläre Substruktur bedingt, während es im wärmebehandelten Zustand vom Ausscheidungszustand und der geänderten Kornmorphologie bestimmt wird. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die diffraktionselastischen Konstanten von der zugrundeliegenden Mikrostruktur abhängen. Für die kolumnaren Mikrostrukturen, egal ob im as-built oder wärmebehandeltem Zustand, werden die diffraktionselastischen Konstanten am besten durch die Reuss Annahme homogener Spannung beschrieben. Darüber hinaus zeigt die geringe Akkumulation intergranularer Dehnung des 311 Reflexes seine Robustheit für die beugungsbasierte Eigenspannungsanalyse. Im vorhandenen Fall ist der Unterschied zwischen texturbasierten und quasiisotropen Ansätzen zur Eigenspannungsanalyse unbedeutend. Oberflächennahe Eigenspannungsanalysen zeigen jedoch, dass verschiedene Scanstrategien zu einer Änderung in der Ausrichtung des Eigenspannungstensors führen. Weiterhin zeigt die Lage der kritischen oberflächennahen Zugeigenspannungen eine Abhängigkeit zur Oberflächenrauheit und dem Gefüge. Abschließend werden Empfehlungen zur beugungsbasierten Ermittlung und Bewertung von Eigenspannungen in texturierten additiv gefertigten Legierungen gegeben. KW - residual stress KW - diffraction KW - texture KW - mechanical behavior KW - in-situ testing KW - laser powder bed fusion KW - additive manufacturing KW - electron backscatter diffraction KW - diffraction elastic constants KW - Inconel 718 KW - Inconel 718 KW - additive Fertigung KW - Diffraktion KW - diffraktionselastische Konstanten KW - Elektronenrückstreubeugung KW - In-situ Experimente KW - Laserstrahlschmelzen KW - mechanisches Verhalten KW - Eigenspannung KW - Textur Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-621972 ER - TY - THES A1 - Thiede, Tobias T1 - A multiscale analysis of additively manufactured lattice structures T1 - Multiskalige Analyse von Additiv Gefertigten Gitterstrukturen N2 - Additive Manufacturing (AM) in terms of laser powder-bed fusion (L-PBF) offers new prospects regarding the design of parts and enables therefore the production of lattice structures. These lattice structures shall be implemented in various industrial applications (e.g. gas turbines) for reasons of material savings or cooling channels. However, internal defects, residual stress, and structural deviations from the nominal geometry are unavoidable. In this work, the structural integrity of lattice structures manufactured by means of L-PBF was non-destructively investigated on a multiscale approach. A workflow for quantitative 3D powder analysis in terms of particle size, particle shape, particle porosity, inter-particle distance and packing density was established. Synchrotron computed tomography (CT) was used to correlate the packing density with the particle size and particle shape. It was also observed that at least about 50% of the powder porosity was released during production of the struts. Struts are the component of lattice structures and were investigated by means of laboratory CT. The focus was on the influence of the build angle on part porosity and surface quality. The surface topography analysis was advanced by the quantitative characterisation of re-entrant surface features. This characterisation was compared with conventional surface parameters showing their complementary information, but also the need for AM specific surface parameters. The mechanical behaviour of the lattice structure was investigated with in-situ CT under compression and successive digital volume correlation (DVC). The deformation was found to be knot-dominated, and therefore the lattice folds unit cell layer wise. The residual stress was determined experimentally for the first time in such lattice structures. Neutron diffraction was used for the non-destructive 3D stress investigation. The principal stress directions and values were determined in dependence of the number of measured directions. While a significant uni-axial stress state was found in the strut, a more hydrostatic stress state was found in the knot. In both cases, strut and knot, seven directions were at least needed to find reliable principal stress directions. N2 - Das Laserstrahlschmelzen (L-PBF) als Prozess im Bereich der Additiven Fertigung (AM) ermöglicht ein neuartiges Bauteildesign und somit auch die Produktion von komplexen Gitterstrukturen, welche Materialeinsparungen und effizientere Kühlsysteme erlauben und daher für verschiedene industrielle Anwendungen (z.B. Gasturbinen) geeignet sind. Interne Defekte, Eigenspannungen und geometrische Abweichungen von der Soll-Geometrie sind jedoch unvermeidbar. Im Rahmen dieser Arbeit wird die strukturelle Integrität von L-PBF gefertigten Gitterstrukturen zerstörungsfrei auf verschiedenen Größenskalen untersucht. Eine Auswerteroutine für dreidimensionale quantitative Pulvercharakterisierung hinsichtlich der Partikelgröße, der -form, der -porosität, des Interpartikelabstands und der Packungsdichte wurde entwickelt. Synchrotron Computertomographie (CT) wurde für die Korrelation der Packungsdichte mit der Partikelgröße und -form genutzt. Darüber hinaus konnte festgestellt werden, dass mindestens 50% der Porosität aus den Pulverpartikel während der Herstellung der Streben mittels L-PBF gelöst wurde. Streben sind die Grundbausteine der Gitterstrukturen und wurden mit industrieller CT untersucht. Dabei lag der Fokus auf dem Einfluss des Bauwinkels auf die Strebenporosität und -oberflächenqualität. Die Analyse der Oberflächentopographie wurde hinsichtlich einer quantitativen Analyse von sogenannten re-entrant features erweitert. Der Vergleich dieser Auswertung mit konventionellen Oberflächenparametern offenbarte sowohl deren Komplementarität also auch den Bedarf an neuen AM-spezifischen Oberflächenparametern. In-situ CT Versuche mit anschließender digitaler Volumenkorrelation (DVC) erlaubte die Gitterstruktur bezüglich des mechanischen Verhaltens unter Druckspannung zu bewerten. Aufgrund einer schichtweisen Faltung der Einheitszellen konnte dabei das Versagensverhalten als knoten-dominiert identifiziert werden. Mittels Neutronenbeugung konnten Eigenspannungen in solchen Gitterstrukturen erstmalig experimentell bestimmt werden. Dabei wurden sowohl die Hauptspannungsrichtungen als auch die -beträge in Abhängigkeit von der Anzahl der gemessenen Spannungsrichtungen bestimmt. Während in der Strebe ein signifikanter uni-axialer Spannungszustand nachgewiesen wurde, zeigte der Knotenpunkt einen hydrostatischeren Spannungszustand. Sowohl im Falle der Strebe als auch des Knotenpunkts waren mindestens sieben gemessene Spannungsrichtungen nötig, um die Hauptspannungsrichtungen verlässlich zu ermitteln. KW - additive manufacturing KW - laser powder bed fusion KW - computed tomography KW - neutron diffraction KW - in-situ testing KW - residual stress KW - roughness KW - powder particle analysis KW - additive Fertigung KW - Laserstrahlschmelzen KW - Computertomographie KW - Neutronendiffraktion KW - In-situ Experimente KW - Eigenspannung KW - Rauheit KW - Pulverpartikelanalyse Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-470418 ER -