Jakob Schröder

• 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 certainAdditive 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.…
• 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 strukturelleAdditive 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.…