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Neues Christian Doppler Labor

26.06.2018 | FoE Advanced Materials Science | Planet research

Von Cecilia Poletti

Kürzlich eröffnete das Christian Doppler Labor für Design von Hochleistungslegierungen durch thermomechanisches Processing. Das Leitungsteam, Cecilia Poletti und Friedrich Krumphals, stellt es vor.

Fünf Personen blicken in die Kamera. Vier davon sind Männer, eine eine Frau. Vor ihnen liegen viele metallische Gegenstände auf einem Tisch.
Cecilia Poletti und das wissenschaftliche Team.

Die Motivation hinter dem CD-Labor liegt in der Komplexität der simultan auftretenden physikalischen Phänomene, die während des industriellen Herstellprozesses durch plastische Verformung und hohe Temperatur sowie in der Anwendung während thermomechanischer Belastungen auftreten. Unsere Hauptziele sind die Erklärung und Modellierung der Mikrostrukturentwicklung von Nichteisenmetallen während thermomechanischer Verarbeitungsprozesse, um eine hohe Leistung während des Betriebs zu erreichen.

Wir wenden eine Kombination von mehreren Methoden an, um unser Ziel zu erreichen: physikalische, phänomenologische und thermodynamische Modellierung, Finite-Elemente-Simulationen und experimentelle Untersuchungen. Die Ziele und die Methodik sind in den folgenden Abschnitten zusammengefasst.

Vereinheitlichung

Vereinheitlichung von Warmverarbeitungs-, Versetzungskriech- und Relaxationsphänomenen in einem einfachen physikalischen Modell, das für verschiedene Materialien verallgemeinert werden kann, ohne Genauigkeit und Vorhersagepotenzial zu verlieren. Allgemein haben Wissenschafter/innen die Entwicklung von a) der Kriechdehnung während des Einsatzes bei hohen Temperaturen und Lasten, b) der Fließspannungen während der Warm- bzw. Kaltbearbeitung und c) der inneren Spannungen während der Wärmebehandlung getrennt modelliert. Die in der Literatur entwickelten Modelle waren phänomenologisch und physikalisch. Ein Ansatz für die Modellierung technischer Werkstoffe besteht in der Entwicklung der mathematischen und physikalischen Beschreibung der Mikrostruktur, stetiger konstitutiver Gleichungen und Ratengleichungen basierend auf internen Variablen.

Das CD-Labor besteht aus drei Modulen: Nickelbasislegierungen, Titanlegierungen und Aluminiumlegierungen.

Die Hauptaufgaben zur Entwicklung des vereinheitlichten Modells sind: eine eindeutige Beschreibung der Mikrostruktur (wie in Abb.2) zu finden, die gleichen internen Variablen zu verwenden und untereinander austauschbare konstitutive Gleichungen zu formulieren. Ferner können die Modelle die Mikrostrukturentwicklung und das Umformverhalten der Legierung entlang der Verarbeitungskette sowie im Betrieb beschreiben. Die internen Variablen zur Beschreibung der Mikrostruktur beinhalten Phasen (verformbar und nicht verformbar), verschiedene Arten von Versetzungsdichten, Misorientierungen, Anteile von Grenzflächen usw. und deren zeitabhängige Entwicklung kann sowohl dynamische als auch statische Phänomene beschreiben.

Design

Design von Experimenten mit traditionellen und modernsten Technologien. In unserem CD-Labor sind Laborversuche erforderlich, um das Materialverhalten unter thermischen und mechanischen Belastungen zu verstehen und zu beschreiben sowie numerische Zusammenhänge und Daten zu erhalten. Die Entwicklung von Fließspannungen, Kriechdehnungen und Mikrostrukturmerkmalen wird durch Laborversuche dargestellt, die entweder dazu dienen, physikalische Phänomene zu isolieren oder industrielle Prozesse zu simulieren. Wir können auf eine Vielzahl an Infrastruktur und Gerätschaften auf der ganzen Welt zurückgreifen, um unsere Ziele zu erreichen.

Mikrostrukturentwicklung während der plastischen Verformung von einphasigen Werkstoffen mit hoher Stapelfehlerenergie: a) unverformtes Material, b) Bildung von Versetzungen (immobile und Dipole) und Versetzungen, die eine Zellwand ausbilden, c) fortgeschrittene dynamische Erholung und Bildung von Substrukturen, d) Umwandlung von Kleinwinkelkorngrenzen in Großwinkelkorngrenzen, e) vollständig rekristallisiertes Gefüge durch kontinuierliche dynamische Rekristallisation (Ricardo Buzolin, Zwischenbericht, Modul 2).

In-situ-Experimente sind die Highlights dieses Labors. Da die Entwicklung mikrostruktureller Merkmale verstanden und quantifiziert werden muss, verwenden wir Methoden wie Dilatometrie, Differenzialkalorimetrie, Röntgenbeugung mit Synchrotronquellen und Mikroskope mit Verformungs- und Temperaturstufen. Diese Verfahren reduzieren die Anzahl der Tests und ermöglichen die Charakterisierung von mikrostrukturellen Merkmalen in einer Weise, die bei Verwendung von nachträglich entnommenen Proben nicht möglich ist, da die Abkühlung neben anderen Modifikationen allotrope Phasenumwandlungen, die Bildung von Defekten bzw. Ausscheidungen verursachen kann.

Darstellung

Darstellung der zeitlichen und dimensionsgerechten Multiskalenphänomene. Im ersten Fall müssen die Modelle in der Lage sein, schnelle Phänomene wie dynamische Erholung und Rekristallisation zusammen mit langsamen Phänomenen wie Kornwachstum oder Kriechen zu beschreiben, ohne die Genauigkeit zu verlieren. Betrachtet man sowohl die Probenabmessungen als auch die Größenordnung der hergestellten Komponenten, ist es wichtig, die Streuung der mikrostrukturellen Eigenschaften zu bestimmen.

Eine kupferne Spirale

Wie fest und thermisch beständig ein Produkt langfristig ist, hängt von thermomechanischen Verfahren während der Herstellung ab.

Wir erwarten Jahre interessanter Arbeit und sind zuversichtlich, neues Wissen über das Verhalten von Legierungen unter thermomechanischen Prozessen zu gewinnen.

Das Christian Doppler Labor für Design von Hochleistungslegierungen durch thermomechanisches Processing ist seit dem 1. Mai 2017 am Institut für Werkstoffkunde, Fügetechnik und Umformtechnik tätig. Die Arbeitsgruppe besteht aus Cecilia Poletti (Leitung), Friedrich Krumphals (Postdoc), Ricardo Buzolin, Kasyap Pradeep und René Wang (Doktoranden), Leander Herbitschek (Techniker) und Manuela Prader (Sekretärin). Die Unternehmenspartner sind die voestalpine BÖHLER Aerospace GmbH & Co. KG und die Nemak Linz GmbH. Das CD-Labor besteht aus drei Modulen: Nickelbasislegierungen, Titanlegierungen und Aluminiumlegierungen.

Dieses Forschungsprojekt ist im FoE „Advanced Materials Science“ verankert, einem der fünf Stärkefelder der TU Graz.
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Kontakt

Maria Cecilia POLETTI
Assoc.Prof. Dr.techn.
Institut für Werkstoffkunde, Fügetechnik und Umformtechnik
Kopernikusgasse 24/I
8010 Graz
Tel.: +43 316 873 1676
cecilia.polettinoSpam@tugraz.at