Simulation von Gussfehlern

Gussfehler entstehen während des Gieß-, Erstarrungs- und Abkühlungsprozess. Sie können auch metallurgisch Bedingt oder formstoff- bzw. werkzeugbedingt sein. Da diese Fehler wie bspw. Lunker und Gasprorosität die Eigenschaften des Bauteils herabsetzen, ist man bestrebt derartige Defekte vorherzusagen bzw. die Bedingungen unter denen Gussfehler auftreten können zu analysieren und darzustellen. Ein schwerwiegender Fehler ist der Bauteilverzug in Wechselwirkung mit der enstehenden Kornstruktur während und nach der Erstarrung. Ein weiteres Beispiel ist die Entstehung von Freckles wärhend der gereichteten Erstarrung von Superlegierung.

Verzugs- und Heißrissminimierung

Thermomechanische Mehrphasensimulation mit lokaler Berechnung von Werkstoffeigenschaften zur Vorhersage und Minimierung des Verzugs von Gussbauteilen (SFB 1120 Teilprojekt B9)

Laufzeit: 01.02.2014 – 30.06.2022

Forschungseinrichtungen: Gießerei-Institut, ACCESS e.V.

Die maßgenaue Herstellung von Gussbauteilen birgt ein hohes wirtschaftliches Potential und bildet die Grundlage für eine ressourceneffiziente Fertigung. Leider bieten die etablierten gießtechnischen Fertigungsverfahren noch nicht die Möglichkeit diesem Qualitätskriterium durch gezielte Steuermöglichkeiten gerecht zu werden.

Das Ziel besteht darin, die Abhängigkeiten der Eigenschaften (z.B. Elastizitätsmodul, Gleitmodul, Permeabilität) zu Mikrostrukturkenngrößen zu erfassen, die lokalen Werkstoffeigenschaften zu modellieren und mit der makroskopischen, thermomechanischen Mehrphasensimulation direkt zu verknüpfen, so dass quantitative Verzugsvorhersagen möglich sind.

Ein Modell, bei dem mikroskopische Eigenschaften mit der Lösung im Makromaßstab gekoppelt sind, kann auch einen guten Rahmen für die Entwicklung von Modellen zur Vorhersage von Gussfehlern (wie z.B. Heißrissen) bieten, deren Ursache im Mikromaßstab bekannt ist.

Verzugsberechnung des Testkörpers während und nach der Erstarrung in einer temperierten Kokille.

Frecklesvorhersage

Untersuchung, Modellierung und Simulation der Freckle-Bildung an Superlegierungsbauteilen (DFG)

Laufzeit: 01.06.19 – 31.05.22

Beteiligte Forschungseinrichtungen: Access e.V.

Freckles sind Gefügefehler, die in gerichtet oder als Einkristall erstarrten Superlegierungsgussbauteilen beobachtet werden können und hier zu hohen Ausschussraten führen. Sie erscheinen als langgezogene Spur von äquiaxialen Körnern vorzugsweise längs der Schwerkraftrichtung. Nach einer weit verbreiteten Annahme entstehen Freckles als Folge thermosolutaler Konvektion, hervorgerufen durch Dichteumkehrung in der Restschmelze der Erstarrungszone.

Die Phänomenologie der Freckle-Bildung hat gezeigt, dass sowohl Prozess- und Bauteilparameter als auch Vorgänge auf der Gefügeskala ursächlich für die Freckle-Entstehung sind. Für die physikalisch basierte numerische Simulation der Freckle-Entstehung soll daher in diesem Vorhaben ein neuer, ganzheitlich gekoppelter Ansatz erarbeitet werden. Hierbei lassen sich die zur Anwendung kommenden Modelle wie folgt einteilen: Mikromodelle, die das Kristallwachstum abbilden, und Makromodelle, die auf Prozess- und Bauteilgröße herangezogen werden, sowie mesoskopische Modelle, die den Bereich auf Kornskala dazwischen abdecken. Zur Evaluierung der Simulationen werden Versuche mit dem Bridgmanverfahren durchgeführt. Bei diesen wird der Einfluss des Formschalenaufbaus und der Probengeometrie untersucht.