Untersuchung der Einflussparameter auf die mechanischen Eigenschaften von additiv gefertigtem TiAl6V4

Daniel Greitemeier beschreibt wesentliche Einflussfaktoren auf die Werkstoffeigenschaften von additiv gefertigtem TiAl6V4 aus Sicht der Luft- und Raumfahrtindustrie. Dabei werden vier unterschiedliche additive Fertigungsverfahren miteinander verglichen. Neben der zerstörenden und zerstörungsfreien Charakterisierung erfolgt eine Abschätzung der Lebensdauer durch die bruchmechanische Modellierung der prozessbedingten Defekte und Oberflächenrauheiten. Vorwort 5 Inhaltsverzeichnis 6 Abbildungsverzeichnis 10 Tabellenverzeichnis 23 Abkürzungen und Formelzeichen 25 1 Einleitung 29 2 Aufgabenstellung 30 3 Grundlagen 32 3.1 Additive Fertigung 32 3.1.1 Pulverbettbasierte Prozesse 33 3.1.2 Drahtbasierte Prozesse 34 3.2 Titan und Titanlegierungen 35 3.2.1 Titan 35 3.2.2 TiAl6V4 36 3.2.3 Additiv gefertigtes TiAl6V4 38 3.2.4 Einflussfaktoren auf die Festigkeiten von additiv gefertigtem TiAl6V4 39 3.2.4.1 Chemische Zusammensetzung 40 3.2.4.2 Mikrostruktur 42 3.2.4.3 Materialfehler 43 3.3 Betriebsfestigkeitsanalyse 44 3.3.1 Klassische Betriebsfestigkeit 44 3.3.2 Klassische Bruchmechanik 45 3.3.2.1 Linear elastische Bruchmechanik für den statischen Belastungsfall 46 3.3.2.2 Linear elastische Bruchmechanik für den zyklischen Belastungsfall 50 3.3.3 Modelle zur Beschreibung der Defekte 54 3.3.4 Modelle zur Beschreibung der Oberflächenrauheit 56 4 Experimentelles 59 4.1 Verwendete additive Verfahren 59 4.1.1 Pulverbettbasierte Prozesse 59 4.1.2 Drahtbasierte Prozesse 60 4.2 Wärmenachbehandlungen 60 4.3 Chemische Charakterisierung 61 4.4 Mikrostrukturelle Charakterisierung 61 4.5 Zerstörungsfreie Charakterisierung 62 4.5.1 Computertomografie 62 4.5.2 Rauheitsmessung 62 4.6 Zerstörende Charakterisierung 63 4.6.1 Zugversuch 63 4.6.2 Bruchzähigkeit 64 4.6.3 Ermüdungsrisswachstum 64 4.6.4 Schwingfestigkeit 65 5 Modellbildung 67 5.1 Defekte 67 5.2 Oberflächenrauheit 70 6 Experimentelle Ergebnisse 71 6.1 Pulverbettbasierter Laserstrahlprozess (PB-LB) 71 6.1.1 Chemische Charakterisierung 71 6.1.2 Mikrostrukturelle Charakterisierung 71 6.1.3 Zerstörungsfreie Charakterisierung 74 6.1.4 Zerstörende Charakterisierung 76 6.1.4.1 Zugversuch 76 6.1.4.2 Bruchzähigkeit 78 6.1.4.3 Ermüdungsrisswachstum 79 6.1.4.4 Schwingfestigkeit 80 6.2 Pulverbettbasierter Elektronenstrahlprozess (PB-EB) 83 6.2.1 Chemische Charakterisierung 83 6.2.2 Mikrostrukturelle Charakterisierung 83 6.2.3 Zerstörungsfreie Charakterisierung 86 6.2.4 Zerstörende Charakterisierung 87 6.2.4.1 Zugversuch 88 6.2.4.2 Bruchzähigkeit 90 6.2.4.3 Ermüdungsrisswachstum 90 6.2.4.4 Schwingfestigkeit 91 6.3 Drahtbasierter Plasma-Lichtbogenprozess (WF-PS) 95 6.3.1 Chemische Charakterisierung 95 6.3.2 Mikrostrukturelle Charakterisierung 96 6.3.3 Zerstörungsfreie Charakterisierung 98 6.3.4 Zerstörende Charakterisierung 98 6.3.4.1 Zugversuch 99 6.3.4.2 Bruchzähigkeit 100 6.3.4.3 Ermüdungsrisswachstum 101 6.3.4.4 Schwingfestigkeit 102 6.4 Drahtbasierter Laserstrahlprozess (WF-LB) 104 6.4.1 Chemische Charakterisierung 104 6.4.2 Mikrostrukturelle Charakterisierung 105 6.4.3 Zerstörungsfreie Charakterisierung 107 6.4.4.1 Zugversuch 107 6.4.4.2 Bruchzähigkeit 109 6.4.4.3 Ermüdungsrisswachstum 110 6.4.4.4 Schwingfestigkeit 110 6.4.4 Zerstörende Charakterisierung 107 6.4.4.1 Zugversuch 107 6.4.4.2 Bruchzähigkeit 109 6.4.4.3 Ermüdungsrisswachstum 110 6.4.4.4 Schwingfestigkeit 110 7 Modellbasierte Lebensdauerabschätzung und -verifikation 113 7.1 Pulverbettbasierter Laserstrahlprozess (PB-LB) 113 7.1.1 Modellvalidierung 113 7.1.2 Defekte 117 7.1.3 Oberflächenrauheit 120 7.2 Pulverbettbasierter Elektronenstrahlprozess (PB-EB) 120 7.2.1 Modellvalidierung 120 7.2.2 Defekte 124 7.2.3 Oberflächenrauheit 126 7.3 Drahtbasierter Plasma-Lichtbogenprozess (WF-PS) 126 7.4 Drahtbasierter Laserstrahlprozess (WF-LB) 127 8 Diskussion 128 8.1 Statisch 128 8.1.1 Einfluss der Defekte und Oberflächenrauheiten 129 8.1.2 Einfluss der Mikrostruktur 131 8.1.3 Einfluss der chemischen Zusammensetzung 133 8.2 Zyklisch 135 8.2.1 Einfluss der Oberflächenrauheit 135 8.2.2 Einfluss der Defekte 139 8.2.3 Einfluss der Mikrostruktur 142 9 Zusammenfassung und Ausblick 143 Literaturverzeichnis 146 Anhang 159 A.1 Härtemessungen 159 A.1.1 Pulverbettbasierter Laserstrahlprozess 159 A.1.2 Pulverbettbasierter Elektronenstrahlprozess 160 A.1.3 Drahtbasierter Plasma-Lichtbogenprozess 161 A.1.4 Drahtbasierter Laserstrahlprozess 161 A.2 Ermüdungsrisswachstum (R = 0,7) 162 A.2.1 Pulverbettbasierter Laserstrahlprozess 162 A.2.2 Pulverbettbasierter Elektronenstrahlprozess 162 A.3 Computertomografie 163 A.3.1 Pulverbettbasierter Laserstrahlprozess 163 A.3.2 Pulverbettbasierter Elektronenstrahlprozess 164 A.4 Zugversuche 165 Daniel Greitemeier beschreibt wesentliche Einflussfaktoren auf die Werkstoffeigenschaften von additiv gefertigtem TiAl6V4 aus Sicht der Luft- und Raumfahrtindustrie. Dabei werden vier unterschiedliche additive Fertigungsverfahren miteinander verglichen. Neben der zerstörenden und zerstörungsfreien Charakterisierung erfolgt eine Abschätzung der Lebensdauer durch die bruchmechanische Modellierung der prozessbedingten Defekte und Oberflächenrauheiten. Der Inhalt Vergleich unterschiedlicher additiver Fertigungsverfahren Zerstörende und zerstörungsfreie Charakterisierung Bruchmechanische Modellierung der prozessbedingten Defekte und Oberflächenrauheiten Die Zielgruppen Dozierende und Studierende aus dem Bereich Maschinenbau, Werkstoffkunde und Fertigungstechnik Praktikerinnen und Praktiker aus dem Bereich Luft- und Raumfahrt, Fertigungstechnik und Qualitätssicherung Der Autor Daniel Greitemeier arbeitet als Werkstoffspezialist im Bereich der Triebwerksentwicklung für die Luftfahrtindustrie Front Matter....Pages I-XXXI Einleitung....Pages 3-4 Aufgabenstellung....Pages 5-31 Grundlagen....Pages 33-40 Experimentelles....Pages 41-44 Modellbildung....Pages 45-86 Experimentelle Ergebnisse....Pages 87-101 Modellbasierte Lebensdauerabschätzung und -verifikation....Pages 103-117 Diskussion....Pages 119-121 Back Matter....Pages 123-143