2020 & 2021
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020, Kumulative Dissertation
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2021
Genehmigende Fakultät
Fak05
Hauptberichter/Gutachter
; ;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-12-08
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-12160
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/808579/files/808579.pdf
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
additive manufacturing (frei) ; alloy design (frei) ; high manganese steel (frei) ; lattice structure (frei) ; phase field (frei) ; powder bed fusion (frei) ; solidification (frei) ; thermodynamics (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
Das selektive Laserschmelzen (LS) bietet das Potenzial, Konstruktionseinschränkungen konventioneller Fertigungsverfahren zu überwinden und hochkomplexe Bauteile wie periodische Gitterstrukturen mit einzigartigen Eigenschaften zu produzieren. Zu den materialbezogenen Herausforderungen des LS gehören die gezielte Nutzung der schnellen Erstarrungsbedingungen sowie die Entwicklung neuer prozessangepasster Legierungen mit verbesserten Eigenschaften. In dieser Arbeit wurde eine Legierungs- und Prozess-Design-Strategie entwickelt, welche die schnellen Erstarrungsbedingungen während des LS-Prozesses ausnutzt, um eine Mikrostrukturverfeinerung und Texturreduzierung von austenitischen hochfesten Stählen (AHS) zu erzielen. Neben den mikrostrukturellen Anpassungen wurden zusätzliche legierungsspezifische Verformungsmechanismen genutzt um das Verfestigungsverhalten von Vollkörper- und Gitterstrukturproben zu beeinflussen. Während des Prozessdesigns wurden verschiedene LS-Prozessparameter angepasst, um Prozess-Mikrostruktur-Eigenschaftsbeziehungen herzuleiten. Um zusätzliche, experimentell schwer zu bestimmende Prozessbedingungen zu ermitteln, wurden die Schmelzbadgeometrie und die lokalen Erstarrungsparameter im Schmelzbad mit einem Finite-Elemente-Modell simuliert und mit der Mikrostruktur korreliert. AHS welche mit höheren Lasergeschwindigkeiten und einer alternativen Laserscanstrategie prozessiert wurden, wiesen eine höhere Festigkeit und ein höheres Energieabsorptionspotenzial auf, welches auf den partiellen Übergang von einer gerichteten zu einer gleichachsigen Erstarrung der Körner und der Anhäufung geometrisch notwendiger Versetzungen zurückgeführt wurde. Das Legierungsdesign wurde durch rechnergestützte Thermodynamik und der Verwendung von Pulver-mischungen aus AHS und Aluminium geleitet, um Vollkörper- und Gitterstrukturproben mit unterschiedlichem Aluminiumgehalt zu erzeugen. Der Übergang von austenitischer zu ferritisch-austenitischer Erstarrung sowie Ferrit-Austenit Festkörperumwandlungen ermöglichte die Steuerung der Mikrostruktur- und Texturentwicklung. Zusätzlich ermöglichte die Variation des Aluminiumgehalts die flexible Steuerung des Verfestigungsverhaltens durch Einstellung der Verformungsmechanismen umwandlungsinduzierter und zwillingsinduzierter Plastizität. Durch die mikrostrukturellen Anpassungen konnten die mechanischen Eigenschaften in einem weiten Bereich eingestellt sowie die Energieabsorption von geometrisch selektierten AHS-Gitterstrukturen signifikant erhöht werden.Laser powder bed fusion (LPBF), with its potential to overcome design deficiencies of conventional manufacturing processes and to print highly complex parts such as lattice structures with unique properties, is one of the key technologies of metal additive manufacturing. Material related challenges include taking advantage of the fast solidification conditions during LPBF and the development of new process adapted alloys with increased mechanical properties. In this work, an alloy- and process design strategy was developed to take advantage of the fast solidification conditions during LPBF and enable microstructure refinement and texture randomization of austenitic advanced high-strength steels (AHSS). In addition to the micro-structural adaptation, alloy-specific deformation mechanisms were used to tailor the work-hardening behavior of LPBF produced bulk and lattice structures. During the process design, LPBF process parameters were adjusted to understand process-microstructure-property linkages. To determine additional process characteristics that are difficult to determine experimentally, the melt pool geometry and the local solidification parameters were simulated by a finite element melt pool model and correlated with the microstructure. AHSS produced with higher laser speeds and an alternative laser scan strategy revealed higher strength and energy absorption potential during plastic deformation, which was attributed to the partial transition from a columnar to equiaxed solidification of grains and the high accumulation of geometrically necessary dislocations. The alloy design was guided by computational thermodynamics and the usage of powder mixtures of AHSS and pure aluminum to generate bulk and lattice structure specimens with varying aluminum content by LPBF. The transition from austenitic to ferritic-austenitic solidification and solid-state ferrite to austenite phase trans-formations allowed to control the microstructure and texture evolution during LPBF. Additionally, the variation of the aluminum content enabled the flexible adjustment of the active deformation mechanisms transformation- and twinning-induced-plasticity, to govern the work-hardening behavior. The microstructural adjustments were suitable to tailor the mechanical properties in a wide range and were especially valuable for the energy absorption of geometrically selected AHSS lattice structures during plastic deformation.
OpenAccess:
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT020681407
Interne Identnummern
RWTH-2020-12160
Datensatz-ID: 808579
Beteiligte Länder
Germany
Journal Article
Mechanical properties and deformation behavior of additively manufactured lattice structures of stainless steel
Materials and design 145, 205-217 (2018) [10.1016/j.matdes.2018.02.062]
BibTeX |
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Journal Article
Design of high-manganese steels for additive manufacturing applications with energy-absorption functionality
Materials and design 160, 1250-1264 (2018) [10.1016/j.matdes.2018.10.051]
Files
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Journal Article
Understanding the process-microstructure correlations for tailoring the mechanical properties of L-PBF produced austenitic advanced high strength steel
Additive manufacturing 30, 100914 (2019) [10.1016/j.addma.2019.100914]
Files
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Journal Article
Optimal Design for Metal Additive Manufacturing: An Integrated Computational Materials Engineering (ICME) Approach
2. Asia-Pacific International Conference on Additive Manufacturing, APICAM 2019, MelbourneMelbourne, Australia, 1 Jul 2019 - 3 Jul 2019
JOM : a publication of the Minerals 72(3), 1092-1104 (2020) [10.1007/s11837-020-04028-4]
Files
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Journal Article
Controlling microstructure and mechanical properties of additively manufactured high-strength steels by tailored solidification
Additive manufacturing 35, 101389 (2020) [10.1016/j.addma.2020.101389]
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