Physikalisch basierte mehrskalige Simulation der additiv gefertigten Nickel-Legierung Inconel 718

Die Festigkeit ausscheidungsgehärteter Werkstoffe wie Inconel 718 wird durch die chemische Zusammensetzung, den Herstellprozess, die Mikrostruktur und die Wärmebehandlung bestimmt. Diese komplexen Abhängigkeiten erfordern eine detaillierte Prozess- und Materialanalyse, um das Festigkeitspotenzial im gesamten Materiallebenszyklus optimal ausnutzen zu können. Die vorliegende Arbeit entwickelt dafür eine integrierte, physikalisch basierte Simulationskette, welche in Abhängigkeit von Temperatur und Zeit die Kopplung der Legierungselemente mit der erreichbaren Materialfestigkeit ermöglicht. ... mehrAusgehend vom Erstarrungszustand werden die Thermodynamik und die Thermokinetik von IN718 basierend auf der CALPHAD-Methode mit MatCalc© berechnet. Die Streckgrenze wird anhand dieser thermokinetischen Daten berechnet. Die entscheidenden Festigkeitsbeiträge, Mischkristall- und Ausscheidungshärtung, werden auf Basis der Phasenchemie und der Interaktion zwischen Versetzungen und Ausscheidungen berechnet. Die Validierung der Ergebnisse erfolgt sowohl an umfangreichen Literaturdaten als auch an eigenen Experimenten an einkristallin gegossenen und additiv gefertigten IN718. Das additive Material wird ausgehend von einer Prozessfensteranalyse mit unterschiedlichen Materialeigenschaften hergestellt. Die erreichte hohe Modellgenauigkeit ermöglicht die Berechnung von Überalterungsprozessen von bis zu 50000 h. Eine Sensitivitätsanalyse zeigt abschließend die Signifikanz einzelner Modellparameter und identifiziert Schlüsselgrößen der Werkstoff- und Prozessmodellierung.

The strength of precipitations hardened materials like Inconel 718 is controlled by the chemistry, the manufacturing process, the microstructure and the heat treatment. This complex interaction requires a detailed analysis of process and material to assess and optimize the potential of strength for the whole material life cycle. Therefore, this dissertation develops an integrated physical based simulation chain, which links the alloying elements with the achievable material strength depending on temperature and time. Starting from the solidification process, the thermodynamics and thermokinetics of IN718 are calculated with MatCalc© based on the CALPHAD- Method. ... mehrThe yield strength is calculated by using the thermokinetic results. The dominating strengthening effects, solid solution hardening and precipitation hardening, are calculated from the phase chemistry and the interaction between dislocations and precipitations. The results are validated on an extensive published data set and own experiments, which are performed on additive manufactured and cast single crystalline material IN718. Starting from a process window analysis, the material is additively manufactured with different material properties. The achieved model accuracy is high and enables the prediction of the overaging process up to 50000 h. A sensitivity study points out the significance of different parameters and identifies the key parameters in material and process modelling.