Teilprojekt 6 – Mikrostruktursimulation der Erstarrung in der Schweißnaht

Motivation

Erstarrungsrisse beim Laserstrahlschweißen (LBW) sind ein komplexes, multiskaliges und multiphysikalisches Phänomen mit mikrostrukturellem Ursprung. Das Teilprojekt TP6 untersucht die Entstehung und Ausbreitung von Erstarrungsrissen auf der Mikroskala mithilfe chemisch-thermisch-mechanischer Modellierung. Mit einem stark gekoppelten Phasenfeldmodell wird die Entwicklung von Spannungen und Dehnungen während der dendritischen Erstarrung und der anschließenden Festkörperumwandlungen vorhergesagt.

In der ersten Förderphase konzentrierte sich TP6 auf austenitische rostfreie Stähle. Diese Stähle weisen jedoch im Allgemeinen eine gute Beständigkeit gegen Erstarrungsrisse auf, was es schwierig macht, theoretische Vorhersagen direkt mit experimentell beobachteten, rissbehafteten Mikrostrukturen in Zusammenhang zu bringen. Für die zweite Förderphase konzentriert sich TP6 daher auf Ni-Basis-Superlegierungen. Diese Legierungen weisen eine deutlich höhere Anfälligkeit für Erstarrungsrisse auf und bieten eine große Bandbreite an Zusammensetzungsvariationen und Erstarrungsverhalten, wodurch sie sich weitaus besser für eine eingehende Untersuchung der zugrunde liegenden Zusammenhänge zwischen Mikrostruktur und Eigenschaften eignen.

Ergebnisse aus der ersten Förderphase

Aufbauend auf den Arbeiten der ersten Phase hat TP6 mehrere wichtige Ergebnisse erzielt, die die Grundlage für die zweite Phase bilden:

• Ein auf CALPHAD basierendes parabolisches Gibbs-Energie-Modell für das quaternäre Fe-C-Cr-Ni-System wurde formuliert und validiert. Es reproduziert die CALPHAD-Thermodynamik im relevanten Erstarrungsbereich mit einer Genauigkeit von über 99 %.
• Validierte 2D- und 3D-Phasenfeldsimulationen des Dendritenwachstums reproduzierten die Dendritenmorphologie und die Mikrosegregation der kritischen Legierungselemente (C, Cr, Ni), einschließlich des Übergangs von säulenförmigen zu zellförmigen Dendriten und der Bildung von interdendritischer Restflüssigkeit.
• Der Beitrag thermischer und chemischer (durch Segregation induzierter) inelastischer Dehnungen zum lokalen Spannungszustand wurde quantifiziert. Auf der Grundlage dieser thermochemischen inelastischen Dehnungen wurde eine erste Einschätzung der Risswahrscheinlichkeit vorgenommen.
• Für Hochdurchsatz-Erstarrungsstudien wurde ein vollautomatischer Kadi4Mat / KadiStudio-Workflow entwickelt, der die CALPHAD-Anpassung, die Analyse der Schweißbadgeometrie, die Einrichtung von HPC-Simulationen und die automatisierte Nachbearbeitung charakteristischer mikrostruktureller Parameter (Dendritenspitzenradius, Armabstand, Spitzengeschwindigkeit usw.) umfasst.

Ziele

Das übergeordnete Ziel der zweiten Phase besteht darin, das Verständnis und die quantitative Vorhersage von Erstarrungsrissen im Mikrobereich in Ni-Basis-Superlegierungen zu verbessern. Die Hauptziele lauten wie folgt:

• Erweiterung des stark gekoppelten chemisch-thermisch-mechanischen Phasenfeldmodells durch eine getrennte Behandlung von Interstitial- und Substitutionselementen (z. B. Bor, Kohlenstoff, Stickstoff) sowie durch eine simulierte Temperaturentwicklung, unter Einbeziehung der Freisetzung latenter Wärme.
• Modellierung der Festkörperumwandlung γ → γ′ und der damit verbundenen Umwandlungsdehnungen, die für die mechanische Stabilität und Rissanfälligkeit von Superlegierungen auf Nickelbasis entscheidend sind.
• Bestimmung der effektiven, temperaturabhängigen mechanischen Eigenschaften auf Mikro- und Kornebene, auf der Grundlage der simulierten Mikrostrukturen.
• Modellierung der Risskeimbildung und -ausbreitung während der Erstarrung, unter Verwendung anisotroper kritischer Energiefreisetzungsraten, die von der Verarmungszone abhängen, sowie Ableitung statistischer Rissdeskriptoren (Rissverteilung, Rissanteil und Rissbildungsrate).

Integration aller Schritte in Kadi4Mat-Hochdurchsatz-Workflows, in Verbindung mit KI- und maschinellen Lernverfahren (z. B. Bayes’sche Optimierung), um optimale Legierungszusammensetzungen und Prozessparameter zur Minimierung von Heißrissen zu ermitteln.

Vorgehensweise

Das Projekt ist in fünf miteinander verknüpfte Arbeitspakete (AP) unterteilt:

1. Modellerweiterung und Parametrisierung – CALPHAD-basierte Gibbs-Energiefunktionen für die Ni-Legierung, Gruppierung chemisch ähnlicher Elemente in einer quaternären Konfiguration, getrennte Behandlung von Interstitial- und Substitutionselementen sowie Kopplung des simulierten Temperaturverlaufs (Beitrag aus TP3 / TP4).
2. Automatisierte Durchführung von Erstarrungssimulationsstudien – Anpassung des Kadi4Mat-Workflows an das Ni-basierte System, Hochdurchsatz-Studien zur dendritischen Erstarrung sowie automatisierte Bestimmung morphologischer Deskriptoren (zusammen mit TP4 / TP7).
3. Modellierung der γ → γ′-Festphasenumwandlung – Vorhersage der Ausscheidungsmikrostruktur und der umwandlungsinduzierten Spannungen auf Mikro- und Kornebene.
4. Belastungssimulationsstudien und effektive mechanische Eigenschaften – Elastoplastische Simulationen (J2-Plastizität, Voce-Verfestigung) zur Ableitung effektiver, anisotroper mechanischer Eigenschaften und lokaler Spannungskonzentrationen aus den Mikrostrukturen.
5. Modellierung von Erstarrungsrissen – Ein arbeitsgruppenübergreifendes Arbeitspaket, in dessen Rahmen ein Mehrphasenfeldmodell zur Rissausbreitung angewendet und erweitert wird, um kritische Einflussfaktoren zu identifizieren und Kriterien für die Rissbildung beim Laserstrahlschweißen (LBW) von Ni-Basis-Superlegierungen zu ermitteln.

Zusammen bilden die Arbeitsabläufe von AP2, AP3 und AP5 einen digitalen Zwilling, mit dessen Hilfe analysiert werden kann, wie die physikalischen Randbedingungen die kritischen Faktoren bei Erstarrungsrissen beeinflussen.

Zusammenwirken mit den anderen Teilprojekten

TP6 erhält thermische und mechanische Randbedingungen aus TP3 und TP4 sowie Mikrostrukturen auf Kornebene aus TP3. Im Gegenzug liefert TP6 mikroskalige morphologische Informationen und effektive, temperaturabhängige mechanische Eigenschaften an TP4 und TP5 und parametrisiert das Erstarrungsmodell auf Kornebene in TP3. Simulierte Mikrostrukturen werden mit experimentellen Ergebnissen aus TP1 und TP2 verglichen, und alle Arbeitsabläufe, Daten und Metadaten werden gemäß den FAIR-Prinzipien über TP7 (Kadi4Mat) verwaltet.