Untersuchung der Frecklesbildung in gerichtet erstarrten Superlegierungen
Final Report Abstract
Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurden systematische Untersuchungen zur Frecklesbildung durchgeführt. Aus den Ergebnissen wurden neue charakteristische Einflussgrößen abgeleitet und neue Vermeidungsmaßnahmen vorgeschlagen. Bei allen durchgeführten Versuchen wurden Freckles ausschließlich an der "Schattenseite" der Proben beobachtet, die der Mittelsäule zugewandt ist und nicht direkt vom Heizer bestrahlt werden kann. Als Ursache wurden unsymmetrische Erstarrungsbedingungen der Gussproben festgestellt. Um diesen Schatteneffekt zu vermeiden ist eine Veränderung des Ofenaufbaus und der Formschalen-Cluster notwendig. Anstatt des herkömmlichen Aufbaus einer zylindrischen Bridgman-Anlage wird, gemeinsam mit einem Ofenbauer, eine neue Ofenkonstruktion mit parallel angeordneten Heizern entwickelt. Damit können die Formschalen symmetrisch von beiden Seiten beheizt und Freckles signifikant vermindert werden. Der neuartige Anlagenaufbau könnte bei erfolgreicher Umsetzung für zukünftige Projekte eingesetzt werden. Versuche mit variierenden Probenquerschnitten zeigten, dass bei einer Querschnittserweiterung die Freckles erst nach einer kritischen "Inkubationslänge" entstehen können. Ist jede Stufe kürzer als die Inkubationslänge, treten keine Freckles auf. Im Gegensatz dazu fördert eine Querschnittsabnahme das Freckleswachstum. Die Rauheit der Oberfläche spielt ebenfalls eine wichtige Rolle bei der Frecklesbildung. Eine Frecklesbildung wird vermindert, wenn Verdickungen mit Oberflächennuten von ca. 1,5 mm an den frecklesanfälligen Stellen angebracht werden. Mit dieser Maßnahme werden Aufwärtsströmungen sowie die dadurch hervorgerufene Frecklesbildung unterdrückt. Nach dem Abguss können diese Nuten durch mechanische Bearbeitung entfernt werden, um das Endmaß der Komponente zu erreichen. Die Experimente zeigen auch, dass alle Gussproben mit Freckles eine relativ günstige Kristallorientierung besitzen. Im Gegensatz dazu weisen Gussproben mit verkippter Dendritenausrichtung keine Frecklesbildung auf, da dieses Dendritennetzwerk einen Widerstandes für die interdendritischen Konvektionsströme darstellt. Damit konnte eine Auswirkung der Kristallorientierung auf die Frecklesbildung nachgewiesen werden. Bei Untersuchungen mit kegelförmigen Proben konnte außerdem gezeigt werden, dass Freckles an schiefen Flächen wurzelförmig wachsen. Dies ergänzt die bisherigen Erkenntnis, wonach Freckles nur als schmale Ketten an der vertikalen Oberfläche der Gussstücke entstehen. Zur Simulation der Frecklesvorhersage wurde ein bestehendes Modell überarbeitet und um ein Gradientenkriterium zur Berücksichtigung von Schatteneffekten erweitert. Mit Hilfe dieser neuen Kriteriumsfunktion ist es nun möglich, Anlagenparameter und Abkühlbedingungen mit der Frecklesvorhersage zu korrelieren. Mit dem neuen Modell konnten erfolgreich Inkubationslänge, Eindringtiefe und Lage der Freckles unter Berücksichtigung des Schatteneffekts vorhergesagt werden. Die Simulationsergebnisse zeigten zudem, dass neben der Inkubationslänge auch eine Auslauflänge der Freckles existiert. Zusammenfassend konnte gezeigt werden, dass die Frecklesbildung in gerichtet erstarrten Superlegierung von vielseitigen Faktoren beeinflusst wird. Es konnten neue Erkenntnisse erarbeitet und die grundlegenden Kenntnisse zu den Mechanismen der Frecklesbildung vertieft werden. Weiterhin erlaubten die Arbeiten auch die Entwicklung neuartiger Maßnahmen zur Frecklesvermeidung.
Publications
- "Influence of Crystal Orientation on the Freckle Formation in Directionally Solidified Superalloys", Adv. Mat. Res. 278 (2011) 114-119
D. Ma, M. Mathes, B. Zhou, A. Bührig-Polaczek
- "Investigation of freckle formation under various solidification conditions", Adv. Mat. Res. 278 (2011) 428-433
D. Ma, B. Zhou, A. Bührig-Polaczek
- “Freckle Formation in Directionally Solidified Superalloy Components with Expanding Cross-Section”, IOP Conf. Series: Mat. Sci. Eng. 27 (2011) 012034
D. Ma, J. Ziehm, W. Wang, A. Bührig-Polaczek
- Some new observations on freckle formation in directionally solidified superalloy components”, Metall. Mater. Trans. 43B (2012), April, 344-353
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(See online at https://doi.org/10.1007/s11663-011-9608-0) - “The Influence of surface roughness on freckle formation in directionally solidified superalloy samples”, Metall. Mater. Trans. 43B (2012), August, 671-677
D. Ma, A. Bührig-Polaczek
(See online at https://doi.org/10.1007/s11663-012-9691-x)
