Digitalization of forged alloy 718 parts with implemented microstructure and fracture mechanic model

Titel in Übersetzung: Digitalisierung von Alloy 718 Schmiedeteilen mit implementierten Mikrostruktur und Bruchmechanik Modell

Christian Gruber

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

Abstract

Ein digitaler Zwilling zur Produktion von Flugzeugbauteilen aus der Legierung Alloy 718 mittels numerischer Kalkulation der lokalen Materialeigenschaften im Sinne von integrierter computergest�tzten Werkstofftechnologie (ICME) ist ein wesentliches Hilfsmittel und Werkzeug f�r Leichtbau und Geometrieoptimierung, sowie f�r eine erhebliche Senkung der Entwicklungskosten und Kosten f�r die experimentelle Charakterisierung. Daraus ergibt sich der Bedarf an numerischen Modellen, welche die anf�nglichen mikrostrukturellen Inhomogenit�ten erfassen, den thermomechanischen Prozessverlauf beschreiben und die lokale Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften des Endprodukts widerspiegeln. Um die resultierende lokale Mikrostruktur �ber die gesamte Verarbeitungskette hinweg zu reproduzieren und zu berechnen, wurde ein digitaler Zwilling f�r den mehrstufigen Schmiedeprozess entwickelt. Da das Gef�ge die mechanisch-technologischen Eigenschaften wie die Flie�spannung und Bruchz�higkeit bestimmt, wurde ein Multiklassen-Korngr��enmodell implementiert, um die lokale Entwicklung der relevanten Gef�gemerkmale zu beschreiben. Zu diesen Merkmalen z�hlen die Korngr��enverteilung, Volumenanteil der Delta-Phase (�) und festigkeitssteigernde Elemente wie Gamma Prime (�') und Gamma Double Prime (�''). Als wesentliche Grundlage f�r die Modellierung der Mikrostruktur und zur Berechnung der mechanischen Eigenschaften ist die Kenntnis des mikrostrukturellen Ausgangszustandes des Vormaterials, des gesamten thermomechanischen Prozessverlaufes des Bauteils und der anschlie�enden W�rmebehandlung. Das Ausgangsgef�ge variiert lokal �ber das gesamte Volumen einer Vormaterialstange und hat gro�en Einfluss auf das Endgef�ge. Daher wurde Vormaterial von verschiedenen Herstellern und Produktionswegen (Anzahl an Umschmelzvorg�ngen) sowie unterschiedliche Billetgr��en analysiert und digitalisiert. Die Charakterisierung mehrerer Vormaterialproben zeigte eine ausgepr�gte Variation des Gef�ges zur�ckzuf�hren auf unterschiedliche Produktionsrouten mit variierenden Prozessparametern im Umschmelzverfahren, der Homogenisierung, dem Stauchen und der Anzahl an Hitzen und Temperatur beim Langschmieden. Der digitale Teil des Zwillings ist ein Finite-Elemente Modell des Schmiedeprozesses, das die Inhomogenit�ten des Vormaterials ber�cksichtigt und Parameter wie lokale Temperatur, Dehnung und Dehnrate berechnet. Auf Basis der mikrostrukturellen Ausgangsdaten und des thermomechanischen Verlaufes rekonstruiert ein neu entwickeltes Multilassen-Korngr��enmodell, das durch eine Reihe von Experimenten parametrisiert wurde, die vollst�ndige Mikrostrukturentwicklung w�hrend der verschiedenen Umformprozesse. In dieser Simulation werden Rekristallisation, Kornwachstum und Gr��e und Verteilung von Ausscheidungen ber�cksichtigt. Ein besonderes Augenmerk wird dabei auf das Rekristallisationsverhalten gelegt, das sich in dynamische, meta-dynamische und statische Rekristallisation unterteilen l�sst. Die �rtliche Aufl�sung der unterschiedlich auftretenden und teils gekoppelten Ph�nomene hat einen erheblichen Einfluss auf das resultierende Endgef�ge. Da die Bruchz�higkeit sowie andere mechanisch-technologischen Eigenschaften der Legierung Alloy 718 aus den mikrostrukturellen Merkmalen wie der Korngr��enverteilung, der Gr��e und Menge der Ausscheidungen und des �-Phasenanteils resultiert, kann die lokale Bruchz�higkeit in Abh�ngigkeit von der Belastungsrichtung und der angenommenen Rissfortschrittorientierung abgesch�tzt werden. Zur Validierung des digitalen Zwillings und des Bruchmechanik-Modells wurde eine Reihe von Zugpr�fungen und Bruchmechanik Erprobungen durchgef�hrt. Diese Tests wurden nicht nur am fertigen Bauteil, sondern auch am Vormaterial durchgef�hrt, um die Inhomogenit�ten und die urspr�nglichen Eigenschaftswerte an verschiedenen Positionen zu erfassen. Die untersuchten Positionen wer
Titel in ÜbersetzungDigitalisierung von Alloy 718 Schmiedeteilen mit implementierten Mikrostruktur und Bruchmechanik Modell
OriginalspracheEnglisch
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Ebner, Reinhold, Beurteiler B (intern)
  • Pippan, Reinhard, Mitbetreuer (intern)
  • Stockinger, Martin, Betreuer (intern)
  • Sommitsch, Christof, Beurteiler A (extern)
PublikationsstatusVeröffentlicht - 1800

Bibliographische Notiz

gesperrt bis 01-09-2027

Schlagwörter

  • Alloy 718
  • Mikrostrukturmodell
  • Multiklassen Modell
  • Bruchmechanik
  • Digitaler Zwilling
  • Materialcharakterisierung
  • Finite Elemente
  • Bruchz�higkeit
  • Rissfortschritt
  • Delta Phase
  • integrierte computergest�tzten Werkstofftechnologie
  • Schmieden
  • W�rmebehandlung

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