Simulation der Reifung von γ″-Ausscheidungen in der Legierung IN718

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Schleifer, Felix:
Simulation der Reifung von γ″-Ausscheidungen in der Legierung IN718.
Bayreuth , 2021 . - II,125 S.
( Dissertation, 2021 , Universität Bayreuth, Fakultät für Ingenieurwissenschaften)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00005845

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Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Simulation der Mikrostrukturvergröberung in der Nickellegierung IN718. Ihre vorteilhaften mechanischen Eigenschaften erhält die Legierung zu einem großen Teil durch die Ausscheidung der tetragonalen intermetallischen γ″-Phase. Zur physikalischen Beschreibung der Mikrostrukturentwicklung wird die neuartige anisotrope Sharp Phase-Field Methode (SPFM) für translationsinvariante Grenzflächen verwendet, welche den Rechenaufwand um mehr als zwei Größenordnungen vermindert. Neben der Grenzflächenenergie geht auch die elastische Energie durch die Gitterfehlpassung zwischen Ausscheidung und Matrix in das Modell ein. In tetragonaler Richtung ist die Fehlpassung um etwa einen Faktor 25 größer als in den beiden anderen Gitterrichtungen. Außerdem wird die phasenabhängige anisotrope Elastizität berücksichtigt.

Bei einem realistischen γ″-Volumenanteil spielen elastische Wechselwirkungen zwischen den Ausscheidungen eine entscheidende Rolle. In Simulationsstudien konnte gezeigt werden, dass das Aspektverhältnis der Ausscheidungen mit zunehmendem Phasenanteil steigt, und, dass gleichzeitig die Rundheit der Ausscheidungsformen abnimmt. Es wurde außerdem erstmalig gezeigt, dass die experimentell beobachtete schräge Anordnung der Ausscheidungen, die energetisch günstigste regelmäßige Anordnung von γ″-Ausscheidungen ist. Durch konsistente Anpassung der Grenzflächenenergiedichte an die experimentell beobachteten Ausscheidungsformen und an die Reifungskinetik, kann diese präzise bestimmt werden. Mit dem 3D Phasenfeldmodell kann die zeitabhängige Vergröberung der Mikrostruktur durch Ostwaldreifung quantitativ vorhergesagt werden. Die Temperaturabhängigkeit der Reifungskinetik und die Morphologie der Mikrostruktur werden korrekt vorhergesagt.

Abstract in weiterer Sprache

The present work deals with the simulation of microstructure coarsening in the nickel alloy IN718. The alloy obtains its advantageous mechanical properties to a large extent by precipitation of the tetragonal intermetallic γ″ phase. The novel anisotropic Sharp Phase-Field Method (SPFM) for translationally invariant interfaces is used to physically describe the microstructure evolution, which reduces the computational cost by more than two orders of magnitude. In addition to the interfacial energy, the elastic energy due to the lattice misfit between the precipitate and the matrix is also included in the model. In tetragonal direction, the misfit is about a factor of 25 larger than in the other two lattice directions. In addition, the phase-dependent anisotropic elasticity is taken into account.

For a realistic γ″ volume fraction, elastic interactions between precipitates play a crucial role. Simulation studies have shown that the aspect ratio of the precipitates increases with increasing phase fraction, and, at the same time, the roundness of the precipitate shapes decreases. It was also shown for the first time that the experimentally observed oblique arrangement of precipitates, is the most energetically favorable regular arrangement of γ″ precipitates. By consistently fitting the interfacial energy density to the experimentally observed precipitate shapes and to the ripening kinetics, it can be precisely determined. The 3D phase field model can be used to quantitatively predict the time-dependent coarsening of the microstructure due to Ostwald ripening. The temperature dependence of the ripening kinetics and the morphology of the microstructure are correctly predicted.