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Nickel-based designed materials manufactured via laser-based powder bed fusion of metals for high-temperature applications
Albert, Johannes
Large gas turbines (LGTs) are an essential part of the energy infrastructure of today. Moreover, they are essential as we increase the use of renewable energy sources, particularly during times of peak demand, lulls, or low sun exposure. To emit less climate-damaging byproducts, more ecologically friendly fuels must be used, or the already high efficiency must be further increased. Future LGT generations are probably going to have higher hot gas temperatures in both scenarios. As a result, hot gas components must become more temperature resistant, for example by using high-temperature alloys or cutting-edge cooling techniques. Using open-porous structures made from superalloys for transpiration cooling is one of these approaches. The additive manufacturing technology, laser-based powder bed fusion of metals (PBF-LB/M) can create parts from high temperature alloys. According to research, PBF LB/M process modifications can make it possible to fabricate open-porous structures that are geometrically undefined and hence ideal for transpiration cooling. These structures can be referred to as designed materials (DMs). However, it is not proven whether this production technique can satisfy the criteria that are necessary for the application in LGTs.
In this thesis, scientific studies are conducted to determine whether the production of geometrically undefined open-porous structures by means of PBF-LB/M can be realized using the nickel-based superalloys Haynes 282 and Inconel 625. The key requirements of repeatable and adjustable properties are also under investigation. It is resolved here whether scatter is determinable and if process parameter adaptations can be used to pre-print-predict the properties of DMs. Furthermore, a methodical understanding of the interaction of morphological, microstructural, functional, and mechanical properties is generated. Finally, advanced DMs and complex LGT prototypes demonstrate DM’s applicability in LGTs.
Process limits are investigated by sequentially varying the laser power, scan speed, hatch distance, and layer thickness to gather in-depth knowledge about the mechanisms governing the manufacturability of DMs. Within the established process constraints, the repeatability of DM’s properties is examined. The repeatability evaluation of morphological properties concentrates on variations between different lasers and build jobs in similar regions and on positional changes to create tolerance equations. Investigations are also conducted into how position affects mechanical, microstructural, and functional characteristics. The configurability of DM’s morphological, microstructural, mechanical, and functional properties is examined by altering the process variables, and consequently line and volume energy. Further research on hierarchical DMs, which are DMs combined with lattice structures, reveals that such a combination enhances mechanical strength. The flexibility of design and the combinability of bulk and DMs within a part are shown by a variety of component designs.
Große Gasturbinen (LGT) sind ein wesentlicher Bestandteil der Energieinfrastruktur. Sie sind unverzichtbar, wenn verstärkt erneuerbare Energiequellen genutzt werden und insbesondere bei Spitzenlasten und Dunkelflaute. Um weniger klimaschädliche Emissionen auszustoßen, müssen umweltfreundlichere Brennstoffe verwendet oder der bereits hohe Wirkungsgrad gesteigert werden. Beide Szenarien führen in LGT zu höheren Heißgastemperaturen. Daher müssen die Heißgaskomponenten temperaturbeständiger werden, zum Beispiel durch den Einsatz von modernsten Hochtemperaturlegierungen und Kühltechniken. Eine Möglichkeit ist die Nutzung offenporiger Strukturen aus Superlegierungen zur Transpirationskühlung. Mit der dem laserbasierten Pulverbettschmelzen von Metallen (PBF-LB/M), können Teile aus Hochtemperaturlegierungen hergestellt werden. Aktueller Forschung zufolge können durch Modifikationen des PBF-LB/M-Prozesses offenporige Strukturen hergestellt werden, die geometrisch undefiniert und damit ideal für die Transpirationskühlung sind. Diese Strukturen können als designte Materialien (DM) bezeichnet werden. Es ist jedoch nicht erwiesen, ob diese Herstellungstechnik die Kriterien erfüllt, die für die Anwendung in LGT erforderlich sind.
In dieser Arbeit wird wissenschaftlich untersucht, ob die Herstellung von geometrisch undefinierten offenporigen Strukturen mittels PBF-LB/M unter Verwendung der Nickelbasis-Superlegierungen Haynes 282 und Inconel 625 realisiert werden kann. Die zentralen Anforderungen an wiederholbare und einstellbare Eigenschaften werden ebenfalls untersucht. Geklärt wird, ob Streuungen bestimmbar sind und ob Prozessparameteranpassungen zur Eigenschaftsvorhersage von DM genutzt werden können. Darüber hinaus wird ein methodisches Verständnis für das Zusammenspiel von morphologischen, mikrostrukturellen, funktionellen und mechanischen Eigenschaften geschaffen. Schließlich demonstrieren hierarchische DM und komplexe LGT-Prototypen die Anwendbarkeit.
Die Prozessgrenzen werden durch Variieren der Laserleistung, der Scangeschwindigkeit, des Schmelzbahnabstands und der Schichtdicke untersucht, um vertiefte Erkenntnisse über die Mechanismen zu gewinnen, die die Herstellbarkeit von DM bestimmen. Innerhalb der festgelegten Prozessgrenzen wird die Wiederholbarkeit der Eigenschaften von DM untersucht. Die Bewertung der Wiederholbarkeit der morphologischen Eigenschaften konzentriert sich auf Variationen zwischen verschiedenen Lasern und Bauaufträgen in ähnlichen Regionen sowie bei Positionsänderungen zur Erstellung von Toleranzgleichungen. Es wird auch untersucht, wie sich die Position auf die mechanischen, mikrostrukturellen und funktionellen Eigenschaften auswirkt. Die Konfigurierbarkeit der DM-Eigenschaften wird durch Änderung der Linien- und Volumenenergie erforscht. Analysen zu DM in Kombination mit Gitterstrukturen, zeigen, dass eine solche Kombination die Festigkeit erhöht. Die Designflexibilität und die Kombinierbarkeit von dichtem Material und DM innerhalb eines Teils werden durch Prototypen gezeigt.
