Laser beam welding and additive manufacturing of duplex stainless steel 2205
Creators: name: Odermatt, Anton
Publisher: name: TUHH Universitätsbibliothek
Year: 2024
Subjects: subject: Additive Manufacturing
subject: Laser directed energy deposition with wire
subject: Laser beam welding
subject: FatigueDuplex stainless steel
classificationCode: 6
subject: Technology::660: Chemistry; Chemical Engineering
classificationCode: 6
subject: Technology::670: Manufacturing
classificationCode: 6
subject: Technology::621: Applied Physics

description: Duplex stainless steels exhibit a unique combination of high mechanical strength, high ductility and good corrosion resistance making them promising candidates for utilization in many industries where parts are subjected to a combined mechanical and corrosive load. In comparison to the more commonly employed austenitic stainless steels, parts can be designed thinner, resulting in savings in material for the construction and energy during the service life. The ductility as well as the corrosion resistance depend upon their ferrite/ austenite duplex microstructure, which is highly susceptible to heat input during manufacture, making the fusion processing challenging. Manufacturing processes must be optimized to obtain sound material and part properties. Additionally, possible deviations from the optimal condition need to be determined. Thereby, the robustness of the fabrication method – when optimal results cannot be achieved due to process constraints, or the results cannot be controlled adequately – can be assessed. The present work considers laser beam welding and laser additive manufacturing of duplex stainless steels and their influence on the microstructure, quasi-static and fatigue properties. For laser beam welding with subsequent laser surface remelting, it was demonstrated that fatigue properties can be brought up to the level of the base material. For the case of additive manufacturing with laser and wire, a novel process control method was developed. The influence of process and design parameters on the material properties were investigated. Demonstrator parts were manufactured and the residual stress distribution resulting from process design choices was evaluated. The laser beam welding process is often performed utilizing the keyhole effect. This process mode is characterized by small fusion and heat affected zones. Evaporation of material from the process may lead to the formation of porosity and poor weld surface quality. The high cooling rates inhibit the formation of austenite from the as δ-ferrite solidifying duplex stainless-steel material. The ferritic fusion zone of laser beam weldments exhibits higher strength and reduced ductility compared to the duplex base material, protecting the joint against deformation in quasi-static loading conditions. Under fatigue loading conditions, the strength is determined firstly by geometric notches, which can be alleviated by a laser surface remelting treatment, bringing the fatigue limit of specimens containing joints up to the level of the base material. The modified geometric configuration in additive manufacturing leads to a reduced cooling rate and increased heat accumulation during the fabrication of parts. The heat accumulation can be described by limited exponential growth laws, reaching a steady state after multiple layers of the part have been deposited. The heat accumulation and process defined geometry of the part pose a major challenge during additive manufacturing. This was solved by developing a process control method based on the interaction force between wire-tip and melt-pool. The reduced cooling rates lead to a reversal of the situation from laser beam welding. High amounts of austenite are formed in the weld metal. Large variations of the microstructure could be obtained by the utilization of suitable sample geometries, which allow for good heat conduction, as well as control of the interpass temperature. The heat accumulation led to a nearly entirely austenitic microstructure, while the reheating effect leads to the precipitation of austenite in preceding layers of the samples. Thus, the microstructure is comprised of layers with high strength and low ductility as well as less strong and more ductile layers. This arrangement as well as the texture resulting from epitaxial growth of the δ-ferrite grains along the build direction of the parts leads to strong anisotropy in the quasi-static mechanical properties with the build direction exhibiting up 100 MPa higher yield strength and half the fracture strain. The fatigue properties are governed by defects to which the duplex stainless steel is vulnerable due to its low fatigue crack propagation threshold. Process induced defects include insufficiently remolten parts of the oxide layer and lack of fusion. The formation of defects is governed by the laser intensity distribution during the additive manufacturing process. Defocusing the laser leads to a higher irradiated area and, together with the developed process control method, a reduced feedstock melting rate. This facilitates increased remelting depth into the previous layer and better contact angles. The order of layers has a higher influence on the residual stress distribution than the order of tracks in a layer. The main findings of this thesis can be summarized as follows: Laser surface remelting can bring the fatigue properties of welded joints up to the level of the base material. This has not been shown to be possible with other post-processing methods. For laser and wire additive manufacturing, a closed-loop control method has been developed that can be implemented in almost any existing manufacturing equipment with minimal investment, ensuring process stability and accounting for differences between preset and actual layer heights. As an important step towards the future industrial application of this technology, in addition to the quasi-static properties, the fatigue properties of laser and wire additive manufactured stainless duplex steels have been investigated and evaluated using a fracture mechanics framework.
description: Nichtrostende Duplex-Edelstähle weisen eine einzigartige Kombination aus hoher mechanischer Festigkeit, hoher Duktilität und guter Korrosionsbeständigkeit auf. Daher sind sie vielversprechenden Kandidaten für den Einsatz in vielen Branchen, in denen Bauteile einer kombinierten mechanischen und korrosiven Belastung ausgesetzt sind. Im Vergleich zu den gebräuchlicheren austenitischen Edelstählen können die Teile dünner ausgelegt werden. Dies führt zu Materialeinsparungen für die Konstruktion und Energie während der Einsatzdauer. Die Duktilität sowie die Korrosionsbeständigkeit hängen von ihrer Ferrit-/ Austenit-Duplex-Mikrostruktur ab, die sehr anfällig gegenüber Wärmeeintrag ist. Dies macht die schweißtechnische Verarbeitung zu einer Herausforderung. Fertigungsprozesse müssen daher optimiert werden, um einwandfreie Material- und Bauteileigenschaften zu erhalten. Darüber hinaus muss die mögliche Abweichung vom optimalen Zustand bestimmt werden, damit die Robustheit der Herstellungsmethode beurteilt werden kann, wenn aufgrund von Prozesszwängen keine optimalen Ergebnisse erzielt oder die Ergebnisse nicht angemessen kontrolliert werden können. Die vorliegende Arbeit betrachtet das Laserstrahlschweißen und die laseradditive Fertigung von Duplex-Edelstählen und deren Einfluss auf das Gefüge, die quasistatischen und die Ermüdungseigenschaften. Für das Laserstrahlschweißen wurde eine Kombination mit anschließendem Laseroberflächenumschmelzen demonstriert, mit der die Ermüdungseigenschaften auf das Niveau des Grundwerkstoffs gebracht werden können. Für die additive Fertigung mit Laser und Draht wurde ein neuartiges Verfahren zur Prozesskontrolle entwickelt. Der Einfluss von Prozess- und Designparametern auf die Materialeigenschaften wurde untersucht. Auch wurden Demonstratorbauteile hergestellt und die Eigenspannungsverteilung, die sich aus dem Prozessdesigns ergibt, ermittelt und bewertet. Das Laserstrahlschweißverfahren wird häufig mit dem Tiefschweißeffekt durchgeführt. Dieser Prozessmodus zeichnet sich durch kleine Schmelz- und Wärmeeinflusszonen aus. Die Verdunstung von Material aus dem Prozess kann zur Bildung von Porosität und schlechter Qualität der Schweißnahtoberfläche führen. Die hohen Abkühlraten hemmten die Bildung von Austenit aus der als δ-Ferrit-erstarrenden Duplexlegierung. Die ferritische Schmelzzone von laserstrahlgeschweißten Bauteilen wies im Vergleich zum Duplex-Grundmaterial eine höhere Festigkeit und reduzierte Duktilität auf und schützte die Verbindung vor Verformung unter quasistatischen Belastungsbedingungen. Unter Ermüdungsbelastung bestimmten geometrische Kerben die Festigkeit., Durch die Laseroberflächenumschmelzbehandlung konnten diese so weit reduziert werden, dass die Ermüdungsfestigkeit von Proben mit Schweißnähten auf das Niveau des Grundmaterials gebracht wurde. Die modifizierte geometrische Konfiguration in der additiven Fertigung führte zu einer reduzierten Abkühlrate und einem erhöhten Wärmestau während der Fertigung. Die Wärmeanreicherung kann mittels begrenzten exponentiellen Wachstumsgesetzen beschrieben werden und erreicht einen stationären Zustand, nachdem mehrere Schichten des Teils aufgetragen wurden. Der Wärmestau und die prozessdefinierte Geometrie des Bauteils stellen eine große Herausforderung bei der additiven Fertigung dar. Dies wurde durch die Entwicklung einer Prozessregelungsmethode gelöst, die auf der Wechselwirkungskraft zwischen Drahtspitze und Schmelzbad basiert. Die reduzierten Abkühlraten führten zu einer Umkehrung der Herausforderungen gegenüber dem Laserstrahlschweißen. Im Schweißgut bildeten sich große Mengen an Austenit. Hohe Variationen der Mikrostruktur wurden durch Kontrolle der Zwischenlagentemperatur und durch die Verwendung geeigneter Probengeometrien, die eine gute Wärmeleitung ermöglichen erzielt. Der Wärmestau kann zu einer fast vollständig austenitischen Mikrostruktur führen, während der Wiedererwärmungseffekt zur Bildung von Austenit in den vorhergehenden Schichten der Proben führt. Das Gefüge besteht somit aus Schichten mit hoher Festigkeit und geringer Duktilität sowie aus Schichten mit geringerer Festigkeit und höherer Duktilität. Diese Anordnung sowie die Textur, die sich aus dem epitaktischen Wachstum der δ-Ferritkörner entlang der Aufbaurichtung der Bauteile ergab, führten zu einer starken Anisotropie der quasistatischen mechanischen Eigenschaften. Die Aufbaurichtung wies eine um 100 MPa höhere Streckgrenze und die Hälfte der Bruchdehnung auf. Die Ermüdungseigenschaften wurden durch Defekte bestimmt, für die der Duplex-Edelstahl aufgrund seines geringen Widerstandes gegen Ermüdungsrissausbreitung anfällig ist. Zu den prozessbedingten Defekten gehörten unzureichend geschmolzene Teile der Oxidschicht und Anbindungsfehler. Die Entstehung von Defekten wurde durch die Laserintensitätsverteilung während des additiven Fertigungsprozesses bestimmt. Die Defokussierung des Lasers führte zu einer größeren bestrahlten Fläche und gemeinsam mit der entwickelten Prozesssteuerungsmethode zu einer reduzierten Abschmelzrate des Ausgangsmaterials. Dies erhöhte die Einschmelztiefe in die vorherige Schicht und verbesserte den Kontaktwinkel. Die Reihenfolge der Schichten hatte einen höheren Einfluss auf die Eigenspannungsverteilung als die Reihenfolge der Schweißnähte in einer Schicht. Die wichtigsten Ergebnisse dieser Arbeit lassen sich wie folgt zusammenfassen: Durch das Umschmelzen von Laserschweißnähten können die Ermüdungseigenschaften von Schweißverbindungen auf das Niveau des Grundwerkstoffs gebracht werden. Dies war mit anderen Nachbearbeitungsmethoden bisher nicht möglich. Für die additive Fertigung mittels Laser und Draht wurde ein Prozessregelungsverfahren entwickelt, welches mit minimalen Investitionen in nahezu jede bestehende Fertigungsanlage integriert werden kann. Das Verfahren gewährleistet die Prozessstabilität und kann effektiv Unterschiede zwischen voreingestellter und tatsächlicher Schichthöhe ausgleichen. Als wichtiger Schritt in Richtung der zukünftigen industriellen Anwendung dieser Technologie wurden neben den quasistatischen Eigenschaften auch die Ermüdungseigenschaften von mittels Laser und Draht additiv gefertigten rostfreien Duplexstählen untersucht und mit bruchmechanischen Methoden bewertet.