Einfluss der Geometrie auf die Eigenschaften der mittels pulverbettbasierten Laserschmelzen gefertigten Legierung Ti-6Al-4V

Munk, Juri; Requena, Guillermo Carlos; Krupp, Ulrich

doi:HT030888084

Einfluss der Geometrie auf die Eigenschaften der mittels pulverbettbasierten Laserschmelzen gefertigten Legierung Ti-6Al-4V = Influence of the geometry on the properties of the alloy Ti-6Al-4V manufactured by laser powder bed fusion

Munk, Juri^RWTH*

2024

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Juri Munk, M.Eng.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Requena, Guillermo Carlos (Thesis advisor)^RWTH* ; Krupp, Ulrich (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-09-04

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-09537
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/994774/files/994774.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
additive Fertigung (frei) ; LPBF (frei) ; laser powder bed fusion (frei) ; PBF-LB (frei) ; pulverbettbasiertes Schmelzen mittels Laserstrahl (frei) ; Ti-6Al-4V (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Das additive Fertigungsverfahren „pulverbettbasiertes Laserschmelzen“ bzw. alternativ „Laser Powder Bed Fusion“ (LPBF) genannt erlaubt die Herstellung von geometrisch hochkomplexen Strukturen aus metallischen Werkstoffen. Aus der Legierung Ti-6Al-4V können unter Nutzung der hohen Designfreiheit des LPBF Bauteile mit hohem Leichtbaugrad realisiert werden. Die Mikrostruktur und damit auch die mechanischen Eigenschaften LPBF-gefertigter Bauteile werden von den thermischen Bedingungen im Verlauf des additiven Aufbauprozesses (thermische Historie) definiert, die wiederum von der örtlichen Bauteilgeometrie abhängig sind. Geometrisch komplex geformte Bauteile weisen demzufolge örtlich inhomogene Werkstoffeigenschaften auf, was im Konflikt dazu steht, dass Werkstoffcharakterisierungen oftmals anhand geometrisch primitiver Körper durchgeführt werden. In der vorliegenden Arbeit wird der Geometrieeinfluss auf die Werkstoffeigenschaften beim LPBF von Ti-6Al-4V umfassend untersucht. Dabei wird mit dem β-Phasenanteil eine repräsentative Bewertungsgröße der Mikrostruktur zur Quantifizierung eingesetzt, die einerseits abhängig von der thermischen Historie ist und andererseits die mechanischen Eigenschaften definiert. Untersuchungen der α-Lamellenbreite, Zugfestigkeit und Ermüdungslebensdauer ergänzen die Charakterisierung. Als Ursache für heterogene Mikrostrukturen aufgrund lokal inhomogener thermischer Historie beim LPBF von Ti-6Al-4V werden in der vorliegenden Arbeit die folgenden Wirkmechanismen beschrieben: Erstens die intrinsische Wärmebehandlung (IHT), also der thermische Einfluss der Folgeschichten oberhalb des untersuchten Probenbereichs und zweitens die reduzierte Abkühlrate bei Entstehung des untersuchten Bereichs und in den unmittelbar nachfolgenden thermischen Zyklen der angrenzenden Folgeschichten. Die Wirkmechanismen werden mithilfe einer Fallunterscheidung jeweils einzeln anhand von Proben untersucht, die jeweils ohne Einwirkung des anderen Wirkmechanismus gefertigt werden. Gegenüberstellungen der β-Morphologie mit der Literatur bestätigen dabei jeweils die einzelnen Wirkmechanismen. Um die thermischen Historien der variierten Probengeometrien zu bestimmen, werden thermische finite Elemente Simulationen des LPBF-Prozesses nach Super-Layer-Ansatz durchgeführt, bei dem mehrere reale Schichten zu einer simulierten Schicht zusammengefasst werden. Zur Charakterisierung der Wirkmechanismen werden zwei simulative Kennwerte definiert: Die Haltedauer Δt_IHT als Kriterium der intrinsischen Wärmebehandlung sowie die Abkühlkonstante k als Kriterium der reduzierten Abkühlrate. Der Kennwert Δt_IHT ist für den Großteil der untersuchten Probengeometrien geeignet, um das Auftreten von intrinsischer Wärmebehandlung vorherzusagen. Zur Bewertung der reduzierten Abkühlrate eignet sich k für alle untersuchten Probengeometrien, um die Existenz der β-Phase vorherzusagen. Die Schichtzwischenzeit stellt das Zeitintervall dar, welches zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schichten vergeht. In dieser Arbeit wurde festgestellt, dass bei Reduzierung der Schichtzwischenzeit der Geometrieeinfluss stärker wird. Der Wirkmechanismus der reduzierten Abkühlrate wird dabei nur bei Schichtzwischenzeiten von weniger als 28 s beobachtet, wohingegen die intrinsische Wärmebehandlung auch noch bei erhöhten Schichtzwischenzeiten von ca. 45 s identifiziert wird. Zur Untersuchung des thermischen Einflusses von angrenzenden Folgeschichten oberhalb des Untersuchungspunktes wurden Proben mit variierter Anzahl von Folgeschichten analysiert. Dabei wurde ein lokales Maximum des β-Phasenanteils und der α-Lamellenbreite bei Proben mit einer einzelnen Folgeschicht oberhalb des Untersuchungspunktes identifiziert. Diese Beobachtung wurde damit erklärt, dass bei einer Folgeschicht die Abkühlrate im relevanten Temperaturbereich ab β-Transustemperatur am stärksten reduziert ist. Die beobachtete Morphologie der α-Lamellen bestätigt dabei die Dominanz der reduzierten Abkühlrate gegenüber der intrinsischen Wärmebehandlung. Ab einer Aufsatzhöhe von 0,6 mm (zehn Folgeschichten) wird ein erneuter Anstieg des β-Phasenanteils und der α-Lamellenbreite identifiziert, was mit dem Einfluss der intrinsischen Wärmebehandlung begründet wird. Auch auf die mechanischen Eigenschaften ist ein Geometrieeinfluss vorhanden. Proben mit schnellerem Anstieg der Belichtungsflächen in Aufbaurichtung sind durch einen Festigkeitsabfall sowohl unter statischer (Zugfestigkeit) als auch unter dynamischer Belastung (Ermüdungslebensdauer) gekennzeichnet. Dabei ist der Geometrieeinfluss auf die Zugfestigkeit selbst bei hohen Schichtzwischenzeiten von mehr als 75 s vorhanden. Um den Geometrieeinfluss vorhersagbar zu machen, wurde für die variierten Probengeometrien mittels multipler linearer Regression ein Korrelationsmodell zwischen dem β-Phasenanteil bzw. der Zugfestigkeit und den simulierten thermischen Historien aufgestellt. Die thermische Historie wurde dabei in Form von Partitionen der integrierten Zeit-Temperatur-Kurve diskretisiert. Ein korrigiertes Bestimmtheitsmaß von 99,8% für die Vorhersage des β-Phasenanteils bzw. von 89,6% für die Vorhersage der Zugfestigkeit zeigen das Potenzial des Ansatzes auf. Zusammenfassend wird festgestellt, dass in der vorliegenden Arbeit zum einen das Verständnis der Wirkmechanismen des Geometrieeinflusses beim LPBF gesteigert wurde. Weiterhin wurde erstmalig gezeigt, wie auf Bauteilebene anwendbare Simulationen eingesetzt werden können, um relevante Mikrostruktureigenschaften im LPBF von Ti-6Al-4V vorherzusagen.

Laser Powder Bed Fusion of Ti-6Al-4V allows manufacturing of components with complex geometric shapes from various metallic alloys, especially for lightweight applications. In LPBF, the geometry of the component defines the thermal history during the build process and therefore the microstructure and the mechanical properties. Geometrically complex shapes lead to locally different thermal histories over the component, resulting in inhomogeneous microstructures. This is in contrast to the fact that microstructural and mechanical characterization of LPBF-made material is carried out with standardized sample geometries that do not represent the geometric complexity and inhomogeneous thermal history. In the present work, the influence of the geometry on the material properties of Ti-6Al-4V was investigated. For measuring the impact of the geometry effect, the β phase fraction was selected as it depends on the thermal history on the one hand and defines the mechanical properties on the other hand. Furthermore, α lamellae width, tensile strength and fatigue life was characterized. In this work, two mechanisms were described that lead to heterogenous microstructures: Firstly, intrinsic heat treatment (IHT) that represents the thermal influence of all following layers above the point of interest. Secondly, reduced cooling rate during solidification of the point of interest and the thermal influence of the few directly following layers. The mechanisms were investigated separately by samples that have been built under conditions solely with one mechanism. The resulting morphology of the β phase matched well with literature and confirmed the described mechanisms. In order to evaluate the thermal histories of the different sample geometries finite element simulations have been carried out. In detail, super layer approach was applied which means that multiple real LPBF layers were summarized in a lumped package of one super layer. Two characteristic values were extracted from the simulated thermal histories: Holding time of the intrinsic heat treatment Δt_IHT and cooling constant k for describing the reduced cooling rate. It was shown that for the majority of the investigated sample geometries Δt_IHT is capable of predicting the intrinsic heat treatment. For evaluation of the second mechanism reduced cooling rate the characteristic value k worked for all investigated sample geometries. The time between two subsequent layers in the LPBF process is called inter layer time. It has been shown that the influence of the geometry increases by reducing the inter layer time. The mechanism of reduced cooling rate was only observed for inter layer time below 28 s but intrinsic heat treatment remained present even at the highest investigated inter layer time of 45 s for some sample geometries. For investigation of the thermal influence of directly following layers above the point of interest, sample geometries with varied number of following layers were analyzed. The first local maximum of the β phase fraction and the α lamellae width were both observed on samples that have only one single following layer above the point of interest. As a possible explanation it was assumed that the cooling rate in the relevant range from the β transus temperature is the most reduced in this specific condition. The observed morphology of the α lamellae confirmed the more dominant role of the mechanism of reduced cooling rate. For a built-up thickness of 0,6 mm above the point of interest, representing 10 following layers, the next increase of α lamellae width and β phase fraction was observed and could be explained by the mechanism of intrinsic heat treatment. The influence of geometry on the mechanical properties was also identified. Samples with fast increase of cross-sectional area in build direction were characterized by a reduced strength, both under static (ultimate tensile strength) and dynamic (fatigue life) condition. The influence of the geometry on ultimate tensile strength was observed to be present even at highest inter layer times of more than 75 s. To make the geometry influence predictable, a multiple linear regression model was established to provide a correlation of simulated thermal history with β phase fraction and tensile strength, respectively. Discretization of the thermal histories was done by use of multiple partitions of the integrated time-temperature-curve. For prediction of the β phase fraction and the ultimate tensile strength the adjusted coefficient of determination was 99.8 % and 89.6 % respectively, showing the potential of the approach. To summarize, the present work provides a better understanding of the mechanisms that occur during LPBF of Ti-6Al-4V and lead to inhomogeneous material properties, depending on the component geometry. For the first time it has been shown how simulation methods that are applicable on component level can be utilized to predict application-relevant material properties.

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