Mikrostruktursimulation der Erstarrung in der Schweißnaht

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Britta Nestler; Dr.-Ing. Daniel Schneider
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen ; Computergestütztes Werkstoffdesign und Simulation von Werkstoffverhalten von atomistischer bis mikroskopischer Skala
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 434946896

Im Rahmen des Verbundprojektes ''Erstarrungsrisse beim Laserstrahlschweißen (LBW): Hochleistungsrechnen für Hochleistungsprozesse'' zielt das Teilprojekt TP6 darauf ab, durch chemo-thermo-mechanische Modellierung und Simulation der Erstarrung ein grundlegendes Verständnis der physikalischen Mechanismen der Entstehung und dynamischen Fortschreitung von Erstarrungsrissen in Ni-basierten Superlegierungen auf der Mikroskala zu gewinnen. Basierend auf einer Validierung durch Vergleich mit experimentellen Messungen aus den Teilprojekten der Forschergruppe und eingebettet in einen multiskaligen Ansatz ermöglicht die Phasenfeldmethode mit kombinierter Kontinuumsmodellierung eine weitreichende Vorhersage der Mikrorissverteilung und Degradationswahrscheinlichkeit. Mit Hilfe eines vollständig gekoppelten chemo-thermo-mechanischen Phasenfeldmodells werden die Spannungs- und Dehnungsverläufe während der Erstarrung und der anschließenden Festphasenumwandlungen präzise orts- und zeitabhängig vorhergesagt. Dies ermöglicht eine genaue Bestimmung der Spannungs- und Dehnungsüberhöhungen zwischen den sich bildenden Phasen. Darauf aufbauend werden Risswahrscheinlichkeiten unter Berücksichtigung der in der ersten Projektphase entwickelten Konzepte zur Vorhersage lokaler thermischer und chemischer inelastischer Dehnungen modelliert. Zusätzlich werden anisotrope und verarmungszonenabhängige Bruchfestigkeitseigenschaften einbezogen, um die komplexen mikrostrukturellen Eigenschaften der Legierungen zu berücksichtigen. Durch Integration in Workflows der Kadi4Mat Forschungsdateninfrastruktur werden Simulationsstudien automatisiert, die Designvorschläge für die Einstellung optimaler Zusammensetzungen und Prozessparameter zur Minimierung von Erstarrungsrissen liefern und hierdurch zu einer computergestützten beschleunigten Entwicklung stabiler Schweißverbindungen in fortschrittlichen Superlegierungen erheblich beitragen. Schließlich zielt das Projekt darauf ab, statistische Parameter wie die Verteilung, den Anteil und die Raten der Erstarrungsrisse auf der Mikroskala quantitativ vorherzusagen. Diese Ergebnisse werden homogenisiert und auf mesoskopische Skalen übertragen, um theoretische Vorhersagen und Bewertungen der Erstarrungsrissbildung auf Meso- und weiterführend auf Makroskala zu ermöglichen. Die Untersuchungen auf der Mikroskala sind ein wesentlicher Bestandteil des Multiskalenansatzes, der die feinskaligen Ereignisse des mikro-, meso- und makroskopischen Werkstoffverhaltens erfasst und wichtige Erkenntnisse für die Entwicklung robuster, rissbeständiger Schweißverbindungen in Ni-basierten Superlegierungen für Hochtemperaturanwendungen in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Energieerzeugung liefert.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 5134: Erstarrungsrisse beim Laserstrahlschweißen: Hochleistungsrechnen für Hochleistungsprozesse