Modellierung und Simulation - Projekte

Ansprechpartner: Moritz Müller 

Ziel des Projektes ist die Vorhersage der mechanischen Eigenschaften von additiv gefertigten Turbinenbauteilen aus ausgewählten Nickelbasissuperlegierungen während derer Herstellung, Wärmebehandlung und Einsatzzeit. Über die Kenntnis der Legierungszusammensetzung und der jeweils vorliegenden Prozessparameter soll die Mikrostrukturbildung des Bauteils simuliert werden. Auf Basis der berechneten Strukturen und Materialparameter wird anschließend auf die mechanischen Eigenschaften geschlossen. Ergebnisse der Simulationen werden mit entsprechenden experimentellen Prüfmethoden, wie Kriech- oder Zugversuchen, verglichen und kalibriert.

Die sich ergebende gänzliche Beschreibung, von der Herstellung über die Wärmebehandlung bis hin zum Einsatz, soll die Entwicklung neuer Legierungen und Prozesse für die additive Fertigung von Nickelbasissuperlegierungen ermöglichen und beschleunigen.

Ansprechpartner: Michael Fleck

Die hervorragenden, thermo-mechanischen Eigenschaften von faserverstärkten Verbundwerkstoffen mit spröder Matrix hängen entscheidend von herstellungsbedingten, thermisch-induzierten Rissmustern ab. Ursache dieser Rissmuster sind lokale Zugspannungen, die im Verbund von steifen Fasern in einer schwindenden Matrix thermisch-induziert entstehen. Im geplanten Vorhaben wird die Bildung der Rissmuster in einem kombinierten Ansatz aus neuen bruchmechanischen Simulationen auf Basis der Phasenfeldmethode zusammen mit systematischen, maßgeschneiderten Experimenten untersucht.

Besonders ist die mehrschichtige Verzahnung zwischen Simulation und Experiment. Zum Einen sind Simulationen und Experimente gemeinsam auf die Untersuchung von Variationen zugänglicher Material- und Prozessparameter (Faservolumengehalt, Aufheizrate, Faser-Matrix-Bindung) hin ausgerichtet. Zum Anderen wird sowohl im Experiment als auch in der Simulation gemeinsam die Komplexität der zugrundeliegenden Mikrostruktur durch Variationen der betrachteten Verstärkungsart stufenweise erhöht.

Im Experiment geschieht die Untersuchung der Ausbildung von Rissmustern einerseits in-situ in der Heizzelle und andererseits durch schrittweise Unterbrechung des Pyrolyseprozesses mit anschließender umfassender Charakterisierung der Proben. In einem iterativen Vorgehen werden verschiedene Verstärkungsarten untersucht, wobei die geometrische Komplexität der Mikrostruktur stufenweise erhöht wird: Von unverstärkt über unidirektional bzw. alternierenden 0/90° Gelegen bis hin zu bidirektionalen Geweben. Die im Experiment auftretenden Rissmuster werden quantitativ vermessen, analysiert und mit den in der Simulation beobachteten Rissmustern verglichen. Als Eingangsparameter für die Simulationen werden das anisotrope Schwindungsverhalten, die Steifigkeiten und die Bruchzähigkeiten verschiedener Verbunde sowie reiner Matrizes jeweils als Funktion des Pyrolyse-Fortschritts bestimmt.

Der Einsatz von Simulationen ermöglicht die mechanismenorientierte Erforschung der Bildung von thermisch-induzierten Rissmustern. Zwei hierarchisch-geschachtelte Modelle kommen für die jeweilige Beschreibung von sprödem Risswachstum auf den verschiedenen Längenskalen zum Einsatz. Auf mikroskopischer Längenskala werden sowohl die Fasern als auch die Matrix jeweils als eigene spröd-brechende Phasen mit verschiedenen mechanischen Eigenschaften modelliert. Auf der übergeordneten Mesoskala werden dann ganze Faserbündel jeweils als homogene, spröde Phasen mit homogenisierten Materialeigenschaften eines unidirektionalen Faser-Matrix Verbundes beschrieben.

Nach erfolgreichem Abschluss des Forschungsvorhabens wird erwartet, dass für die immer wichtiger werdende Werkstoffklasse der faserverstärkten Verbundwerkstoffe mit spröder Matrix (z.B. C/C, C/C-SiC) ein umfassendes Verständnis über die Korrelation zwischen thermisch-induzierten Rissmustern und der Faser-Matrix-Bindung sowie den resultierenden Verbundeigenschaften vorliegen wird.

Ansprechpartner: Felix Schleifer

Im Rahmen dieses Projektes wird ein Phasenfeldmodell entwickelt für die Simulation diffusionslimitierter Ausscheidung in Nickelbasissuperlegierungen. Die Legierung Inconel 718 verdankt ihre hervorragenden Hochtemperatureigenschaften koherenten γ" Ausscheidungen in der kfz-Matrix. Diese metastabile intermetallische Verbindung Ni3Nb mit ihrer tetragonalen Struktur trägt maßgeblich zur mechanischen Festigungssteigerung der Legierung bei.

Die thermodynamische Formulierung des Modells wird validiert mit CALPHAD-Berechnungen der Gleichgewichtszustände. Er werden außerdem elastische Effekte berücksichtigt, um äußere Lasten, anisotrope Gitterfehlpassungen und elastische Inhomogenitäten zwischen den Phasen zu beschreiben.

Das Projekt ist Teil des DFG Schwerpunktprogrammes 1713 (http://gepris.dfg.de/gepris/projekt/237105621). Es sollen vor allem Studien zu Wachstum und Vergröberung der Ausscheidungspartikel in Abhängigkeit der Wärmebehandlungsparameter Zeit und Temperatur erfolgen. 

Ansprechpartner: Markus Holzinger 

Entmischungs- und Phasenumwandlungen in metallischen multi-komponenten Legierungen (z.B. Nickelbasis-Superlegierungen) sind von entscheidender Bedeutung für die Entwicklung spezifischer Materialien mit speziellen Eigenschaften. Im Rahmen dieses Projekts wird die Methode der Phasenfeldsimulation mit modernen, hochgradig parallellisierten Algorithmen verbessert.

Ansprechpartner: Robert Popp

Ziel des Projekts ist es, die thermodynamische Modellierung intermetallischer Phasen in Multikomponentensystemen voranzutreiben. Zur dafür notwendigen Verbesserung der bestehenden Datenbanken wird die Methode der „Diffusions-Multipel“ herangezogen, bei der aus verschiedenen Elementkomponenten Interdiffusionszonen durch isothermes Langzeitglühen erzeugt werden. Die quantitative Analyse der Interdiffusionszonen in Verbindung mit der Strukturbestimmung der Phasen ermöglicht die Extraktion von thermodynamischen Größen zur Eingabe in entsprechende Datenbanken.