Untersuchung, Modellierung und Simulation der Freckle-Bildung an Superlegierungsbauteilen

• Antragsteller: Dr. Bernd Böttger; Professor Dr.-Ing. Andreas Bührig-Polaczek
• Fachliche Zuordnung: Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 394699463

Freckles sind Gefügefehler, die in gerichtet oder als Einkristall erstarrten Superlegierungsgussbau-teilen beobachtet werden. Nach einer weit verbreiteten Annahme entstehen Freckles als Folge thermosolutaler Konvektion. Während der aufwärts gerichteten Erstarrung kann die zwischen den Dendriten befindliche Schmelze als Folge der Umverteilung von Legierungselementen eine Dichteinversion aufweisen, die zu einer Instabilität der Schmelzenströmung führt, wenn die Strömungskräfte stärker als die Widerstandskräfte werden. Die aktuell diskutierte Hypothese geht davon aus, dass die dadurch hervorgerufene Abschmelzung und Fragmentierung von Dendritenarmen zur Freckle-Bildung führen. Einmal entstandene Freckles lassen sich nach dem Erstarren nicht mehr durch eine Wärmebehandlung entfernen und führen zum Ausschuss. Die Entstehungsmechanismen von Freckles sind trotz der langjährigen Untersuchung letztlich nicht vollständig geklärt, und neue Befunde zeigen Freckles in Bereichen, die aufgrund der obigen Hypothese nicht zu erwarten wären. Die Phänomenologie der Freckle-Bildung zeigt, dass sowohl Prozess- und Bauteilparameter als auch Vorgänge auf der Gefügeskala ursächlich für die Freckle-Entstehung sind. Für die physikalisch basierte numerische Simulation der Freckle-Entstehung soll daher in diesem Vorhaben ein neuer, ganzheitlich gekoppelter Ansatz erarbeitet werden. Hierbei lassen sich die zur Anwendung kommenden Modelle wie folgt einteilen: Mikromodelle, die das Kristallwachstum abbilden, und Makromodelle, die auf Prozess- und Bauteilgröße herangezogen werden, sowie mesoskopische Modelle, die den Bereich auf Kornskala dazwischen abdecken. Weiterhin werden in diesem Projekt hierzu ausgesuchte grundlagen- und mechanismenorientierte experimentelle Arbeiten unter Variation der Einflussgrößen von Prozess und Werkstoff durchgeführt und gezielt ausgewertet, um Daten und Zusammenhänge für die Weiterentwicklung von Simulationsmodellen auf unterschiedlichen Skalen bereit zu stellen. Neu an den geplanten Arbeiten sind die Umsetzung in einem mehrstufigen Ansatz sowie die durchgängige Berücksichtigung des multikomponentigen und multi-phasigen Werkstoffkonstitutionsansatzes. Dadurch kann das entwickelte Gesamtmodell zur Freckle-Bildung zukünftig auch für weitere grundlegende Fragestellungen der Wechselwirkungen zwischen Erstarrung und Strömungsprozessen genutzt und auch auf andere Werkstoffgruppen, wie beispielsweise Stahlwerkstoffe, oder Erstarrungsphänomene, wie z.B. Heißrissbildung während der Erstarrung, übertragen werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen