title: Numerical Design of Superalloys for Casting and Additive Manufacturing
title: Numerische Entwicklung von Superlegierungen für den Guss und die Additive Fertigung
Creators: name: Wahlmann, Benjamin
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2024
Subjects: subject: additive manufacturing
subject: electron beam
subject: superalloys
subject: alloy design
subject: process modeling
subject: DDC Classification::6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::62 Ingenieurwissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Bereiche

description: Computational alloy design has the potential to significantly reduce the time from the conception of an alloy to its application. Numerical design methods have been on the rise for several years but are still in their early development phase. Especially the implications of non-equilibrium solidification must be considered to predict an alloy’s properties completely. This thesis demonstrates the potential of Scheil modeling using thermodynamic calculations for alloy design. This enables the prediction of element segregation caused by solidification and the resulting properties of alloys processed by casting and additive manufacturing. The numerical design procedure uses genetic optimization methods to find a set of compositions that optimally fulfill multiple design goals under certain constraints. The alloy design tool implemented in this thesis is used to remove deleterious intermetallic phases from experimental CoNi-base alloys and to develop crack-resistant Ni-base alloys for processing by electron beam powder bed fusion. Melting experiments of the alloys designed for optimal processability revealed that established hot cracking models are insufficient to describe the cracking behavior of 𝛾′-rich superalloys. In-situ X-ray scattering experiments under thermal cycling were performed to quantify the 𝛾′ phase transformation dynamics under additive manufacturing conditions. Together with thermo-mechanical modeling of electron beam additive manufacturing, the insights into the 𝛾′ phase transformation were applied in a hot cracking model that considers both alloy properties as well as the processing strategy. Since the 𝛾′ phase conveys the strength of superalloys, its presence at high temperatures leads to a high strain energy density, which is critical to crack formation. The obtained findings will facilitate the design of Ni-base alloys with a high 𝛾′ phase fraction that are processable without cracks by additive manufacturing and the systematic optimization of parameters for processing otherwise difficult-to-process alloys.
description: Die computergestützte Legierungsentwicklung hat das Potenzial, die Zeit von der Konzeption einer Legierung bis zu ihrer Anwendung erheblich zu verkürzen. Numerische Designmethoden erfahren seit einigen Jahren erhöhte Aufmerksamkeit, befinden sich aber noch in einer frühen Phase ihrer Entwicklung. Insbesondere die Auswirkungen der Nicht-Gleichgewichtserstarrung müssen berücksichtigt werden, um die Eigenschaften einer Legierung vollständig vorhersagen zu können. Diese Arbeit demonstriert das Potenzial der Scheil-Modellierung mittels thermo-dynamischer Berechnungen für die Legierungsentwicklung. Dies ermöglicht die Vorhersage der durch die Erstarrung bedingten Element-Segregation sowie der daraus resultierenden Eigenschaften von Legierungen, die durch Gießen und additive Fertigung verarbeitet werden. Das numerische Designverfahren nutzt evolutionäre Optimierung, um eine Reihe von Zusammensetzungen zu finden, die mehrere Designziele unter bestimmten Einschränkungen optimal erfüllen. Das in dieser Arbeit implementierte Legierungsdesign-Tool wird eingesetzt, um schädliche intermetallische Phasen aus experimentellen CoNi-Basislegierungen zu entfernen und rissbeständige Ni-Basislegierungen für die Verarbeitung durch Elektronenstrahl-Pulverbettschmelzen zu entwickeln. Schmelzexperimente an den auf optimale Verarbeitbarkeit ausgelegten Legierungen zeigten, dass etablierte Heißrissmodelle nicht ausreichen, um das Rissverhalten von 𝛾′-reichen Superlegierungen zu beschreiben. Um die Dynamik der 𝛾′-Phasenumwandlung unter den Bedingungen der additiven Fertigung zu quantifizieren, wurden in-situ-Röntgenstreuungsexperimente während thermischer Zyklierung durchgeführt. Zusammen mit der thermomechanischen Modellierung der elektronenstrahlbasierten additiven Fertigung wurden die Erkenntnisse über die 𝛾′-Phasenumwandlung in einem Heißrissmodell angewendet, welches sowohl die Legierungseigenschaften als auch die Verarbeitungsstrategie berücksichtigt. Da die 𝛾′-Phase für die Festigkeit von Superlegierungen verantwortlich ist, führt ihr Vorhandensein bei hohen Temperaturen zu einer hohen Dehnungsenergiedichte, die für die Rissbildung entscheidend ist. Die gewonnenen Erkenntnisse werden es ermöglichen, Ni-Basis-Legierungen mit einem hohen 𝛾′-Phasenanteil zu entwickeln, die durch additive Fertigung rissfrei verarbeitbar sind, und systematisch Parameter für die Verarbeitung von schwierig zu prozessierenden Legierungen zu optimieren.