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

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Freckles stellen einen trotz umfangreicher Forschungen immer noch nicht vollständig verstandenen Defekt dar, insbesondere beim Feinguss von Einkristall-Ni-Basis-Legierungen. Als Folge einer Dichteumkehr der Schmelze und der damit verbundenen thermosolutalen Konvektion wird die Gefahr von freckles vor allem durch die chemische Zusammensetzung, die Gussteilgröße sowie die Prozessparameter beeinflusst. Trotz umfangreicher Forschungen mangelt es aber immer noch an einem exakten Verständnis der verschiedenen Einflussgrößen auf die Freckle-Bildung. Ziel des Projektes war daher die Verbesserung des grundlegenden Verständnisses und eine Beschreibung der Freckle-Bildung auf physikalischer Basis in einem Mehrskalenansatz. Dabei galt es, die unterschiedlichen Längenskalen, nämlich die Makroskala (gesamtes Gussteil + Ofen), die Mesoskala (ausgewählte halbflüssige Bereiche mit ihren Konvektionsmustern) sowie die Mikroskala (einzelne Dendriten) mit ihren jeweiligen freckle-relevanten Phänomenen zusammenzubringen. Experimentell unterstützt wurde der Ansatz durch die Herstellung zylindrischer sowie sternförmiger Freckle-Proben, um den Einfluss der Abschattung sowie von Kanten systematisch zu untersuchen. Zur Simulation des Bridgman-Prozesses auf der Makroskala wurde die Software STAR-CCM+ eingesetzt. Unter anderem wurde dabei die Auswirkung der Abschattung auf den radialen Temperaturgradienten untersucht. Die simulierten Temperaturfelder gingen als Temperaturgradienten in die Mikrostruktur- und als Wärmestromrandbedingungen in die Meso-Simulation ein. Auf der Mesoskala war zunächst eine grundlegende Weiterentwicklung des bestehenden Modells erforderlich, um den Einfluss multikomponentiger Legierungen korrekt abzubilden. Zudem wurde ein kolumnares Wachstumsmodell für die gerichtete Erstarrung implementiert. Unter Verwendung der auf der Mikroskala ermittelten Schmelz-Permeabilitäten konnten so strömungsmechanische Erstarrungssimulationen durchgeführt werden, die u.a. die Entwicklung eines aufwärtsgerichteten Strömungsfeldes auf der Schattenseite der Zylinderproben mit nachfolgendem Rückschmelzen von Dendriten zeigten. Auf der Mikroskala wurden schließlich umfangreiche multikomponentige und mulitphasige 3D-Berechnungen der Dendritenmorphologie durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass mit Hilfe der Software MICRESS® durch hochperformante Implementierung sowie Ankopplung an thermodynamische Datenbanken eine Simulation der wesentlichen Vorgänge auf der Gefüge-Ebene sowie die Bereitstellung temperaturabhängiger thermophysikalischer Größen möglich ist. Auch konnte ein Rückschmelzen der Dendriten unter Berücksichtigung einer aufsteigenden Schmelzeströmung direkt abgebildet werden. Insgesamt konnte demonstriert werden, dass die Vorgehensweise der Skalen- und Phänomen-Integration es ermöglicht, die Mechanismen der Freckles-Bildung im Zusammenwirken der Softwarepakete abzubilden und zusätzlich wertvolle Kenngrößen über den Erstarrungsverlauf zu ermitteln.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Calphad coupled phase-field model with mechano-chemical contributions and its application to rafting of γ’ in CMSX-4. Computational Materials Science, 184, 109909.
  Böttger, B.; Apel, M.; Budnitzki, M.; Eiken, J.; Laschet, G. & Zhou, B.
  
• Freckles-Bildung bei unterschiedlichen Kantenwinkeln. Giesserei. 110(12): p. 58-61.
  Pustal, B., T. Wittenzellner & A. Bührig-Polaczek
  
• Integrative Simulation der Freckle-Bildung in Ni-Basis Superlegierungen. Giesserei Special – Forschung und Innovation. 110(11): p. 58-67.
  Pustal, B., R. Berger, H. Behnken, B. Böttger & A. Bührig-Polaczek
  
• Experimental Analysis and Simulation of Freckle Formation at Different Edge Angles During Directional Solidification of Ni-Base Superalloys. Metallurgical and Materials Transactions B, 55(4), 2732-2738.
  Pustal, Björn; Wittenzellner, Tobias; Behnken, Herfried; Böttger, Bernd & Bührig-Polaczek, Andreas
  
• Numerical prediction of primary dendrite arm spacing (PDAS), properties of the mushy zone, and freckle risk for various multicomponent Ni-base superalloys using the 3D-phase-field method. Computational Materials Science, 236, 112854.
  Böttger, B.; Seiz, A.; Sowa, R.; Berger, R. & Apel, M.