Tesis:
Microstructure sensitive simulation framework for additively manufactured Hastelloy-X
- Autor: PILGAR, Chandrashekhar Machhindra
- Título: Microstructure sensitive simulation framework for additively manufactured Hastelloy-X
- Fecha: 2023
- Materia:
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS
- Departamentos: CIENCIA DE LOS MATERIALES
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/73145/
- Director/a 1º: SEGURADO ESCUDERO, Javier
- Resumen: La fabricación aditiva de aleaciones metálicas se ha convertido en una técnica disruptiva que permite diseñar y fabricar componentes muy complejos con una forma casi final. Esto es especialmente relevante para la industria aeroespacial que tiene un gran alto en producir componentes de formas complejas, construidos por Selective Laser Meling (SLM), en superaleaciones de alto rendimiento como Hastelloy-X. Sin embargo, en la fabricación SLM las piezas resultantes presentan una fuerte anisotropía y con gran dispersión de propiedades. Estas características se deben a las microestructuras especiales desarrolladas como resultado del calentamiento y enfriamiento rápidos durante el proceso SLM. Este comportamiento mecánico es consecuencia por las microestructuras desarrolladas durante SLM (es decir, tamaños, relación de aspecto y orientaciones de los granos) y defectos como la rugosidad de superficial. Para parámetros de fabricación similares, estas microestructuras varían según la orientación de fabricación y grosor de la muestra. La caracterización experimental de la respuesta cuasiestática y de fatiga de probetas fabricados por SLM requiere una campaña experimental completa para cada microestructura.
De forma complementaria, la modelización computacional tiene como objetivo predecir la respuesta mecánica de las aleaciones SLM en función de la microestructura real, reduciendo así la cantidad de experimentos necesarios para la caracterización del material. Sin embargo, los métodos computacionales existentes y su aplicación para predecir el análisis cuasiestático y de fatiga tienen ciertas limitaciones. a) Respecto a los modelos de comportamiento mecánico, la mayoria son empríricos y ajustables con datos experientales para cada microestructura. b) No existe ningún estudio que analice (y sea capaz de predecir cuantitativamente) la respuesta mecánica anisotrópa de los componentes en función de la microestructura, el espesor de la muestra y la rugosidad superficial. c) No existen modelos de fatiga que tengan en cuenta los efectos de la microestructura, la dirección de construcción y la rugosidad de la superficie en la predicción de la vida.
En este trabajo, se presenta un marco para ensayos virtuales de probetas de Hastelloy- X fabricadas por SLM sensible a la microestructura para superar las limitaciones antes mencionadas. Con respecto a a), se ha desarrollado modelos numéricos dependientes de la microestructura para la predicción de la respuesta cuasiestática y de fatiga, lo que reduce la necesidad de experimentos repetidos para la caracterización del material. Estos modelos se basan en homogeneización computacional que determina la respuesta macroscópica de una pieza SLM a partir de su microestructura policristalina. La respuesta de cristal se ha modelado con un modelo de plasticidad cristalina (CP), calibrado con un número limitado de datos macroscópicos. Finalmente, el comportamiento se obtiene simulando la deformación de los Elementos de Volumen Representativos (RVE) de la microestructura real mediante un solver FFT efciente, que permite la resolución de grandes RVE sintéticos con microestructura compleja y detallada, construidos a partir de datos obtenidos por EBSD. Además, el efecto de la geometría de la muestra (grosor de la muestra) y la rugosidad de la superfcie también se han considerado en las simulaciones.
Con respecto a b) la primera aplicación del modelo propuesto es predecir la respuesta cuasiestática de Hastelloy-X en función de la microestructura resultante de SLM (para diferentes direcciones de fabricación) y también considerando el efecto de la temperatura y el espesor de la muestra. El modelo de CP se ajustó utilizando la respuesta a tracción de uno de los especímenes ensayados. La dependencia de la temperatura se agregó al modelo de CP a través de la tension critica resuelta en cortante inicial y de saturación. El marco propuesto predijo correctamente (con un error de 4%) el módulo de Young y la respuesta de tensión-deformación plástica de todos los especímenes en un amplio rango de temperatura. El trabajo demuestra que la respuesta mecánica anisotropa que se encuentra en las piezas fabricadas por SLM puede atribuirse completamente a lan microestructura policristalina.
Con respecto al estudio de fatiga, el marco CP-FFT propuesto se ha empleado para predecir el comportamiento en fatiga de Hastelloy-X fabricado con SLM a 750 °C, teniendo en cuenta la infuencia de las microestructuras producidas durante el proceso SLM. En este modelo, se ha empleado un modelo CP fenomenológico con un término de "back-stress", calibrado mediante un ajuste inverso a la curva de histéresis experimental de un experimento ciclico controlado en deformación. La técnica se basa en la extracción de parámetros indicadores de fatiga (FIP) de las simulaciones y su uso en leyes de predicción de la vida a fatiga tanto para control de deformación como de tensión, que se basan en el trabajo cíclico y total disipado, respectivamente. La vida de fatiga se calcula para cada caso usando la distribución FIP obtenida de la ley de potencia propuesta que se calibra usando dos experimentos de fatiga. El modelo es capaz de predecir de forma bastante precisa la vida en fatiga para las diversas microestructuras SLM y condiciones de carga consideradas.
Finalmente, el modelo se ha extendido para predecir la vida de fatiga de muestras planas en función de la microestructura y rugosidad superfcial. La capa de rugosidad superfcial, que se genera en base a la rugosidad superfcial media experimental Ra, se ha añadido como una superficie libre al RVE. La inclusión en la simulación de una superficie libre con rugosidad permite predecir con precisión la vida de fatiga de las muestras planas, que es considerablemente menor que la de probetas gruesas pulidas.
ABSTRACT
Additive manufacturing of metallic alloys have become a disruptive technique allowing to design and fabricate very complex components with a near neat shape. This is specially relevant for the aerospace industry with high interest in producing complex shape components using Selective Laser Meling (SLM), in high performance superalloys as Hastelloy-X. However, in SLM fabrication the resulting parts present strong anisotropy and their response have large dispersion. These features are due to the special microstructures developed as a result of rapid heating and cooling during the SLM process. The mechanical behavior of these alloys is determined by the microstructures developed during SLM (namely grain size, aspect ratio, and orientations) and defects such as surface roughness. For similar fabrication parameters, these microstructures also vary depending on build orientation and sample thickness. The experimental characterization of the quasi-static and fatigue response of SLM-fabricated specimens necessitates a large experimental campaign for a wide variety of microstructures.
Complementary, computational modelling approaches aims to predict the mechanical response of SLM alloys as a function of the actual microstructure thus reducing the number of experiments required for material characterization. However, the existing computational methods and their application to predict the quasi-static and fatigue response have certain limitations. a) Regarding the models for mechanical behavior, the majority are empirical and based on large experimental datasets. b) There is no study which analyzes (and quantitatively predicts) the anisotropic mechanical response of SLM components that results from microstructure, sample thickness, and surface roughness defect. c) There is a lack of fatigue models that takes into account the effects of microstructure, build direction, and surface roughness in the life prediction.
In this work, a microstructure sensitive virtual testing framework for SLM-fabricated Hastelloy-X is presented, which overcomes the aforementioned limitations. Regarding a) numerical models that take microstructural details into account have been developed to predict the quasistatic and cyclic response, reducing the number of experiments for material characterization. These models are based on a computational homogenization approach that links the macroscopic response of an SLM part with its polycrystalline microstructure. A crystal plasticity (CP) model is used to represent the single crystal response which is ftted using limited macroscopic data. Finally, the behavior is obtained by simulating the deformation of Representative Volume Elements (RVE) of the actual microstructure using an effcient FFT solver, which allows for the resolution of large synthetic RVEs, with complex and detailed microstructure, built from data obtained using EBSD. Furthermore, the effect of sample geometry (sample thickness) and surface roughness has also been considered in the simulations.
Regarding b) the proposed model is used to predict the quasi-static response of SLM-fabricated Hastelloy-X as a function of the SLM resulting microstructure (for different building directions) and also considering the effect of temperature and sample thickness. The CP model was ftted using the tensile response of one of the specimens considered. The temperature dependency was added into the CP model via the initial and saturation critical resolved shear stresses. The proposed framework correctly predicted (within error 4%) the Young’s modulus and plastic stress-strain response of various specimens across a wide temperature range. The work demonstrates that the anisotropic mechanical response found in SLM parts can be entirely attributable to the polycrystalline microstructure.
With respect to the study of fatigue, the proposed CP-FFT framework is utilized to forecast the fatigue performance of SLM-fabricated Hastelloy-X at 750°C while taking into account the infuence of the microstructures produced during the SLM process. A phenomenological CP model with a back stress term is utilized, and it is calibrated using inverse ftting to the experimental hysteresis curve of one experiment under strain-controlled loading. The technique is based on extracting fatigue indicator parameters (FIP) from simulations, and different fatigue life prediction laws are utilized for both strain- and stress-controlled, which are based on cyclic and total dissipated work, respectively. The fatigue life is calculated for each case using the FIP distribution obtained from proposed power law which is calibrated using two fatigue experiments. For the different SLM microstructures and loading conditions considered, there is a very good agreement with the experimental data on fatigue life. Furthermore, the model can capture the effect of fabrication direction on anisotropic fatigue performance, highlighting the importance of microstructure on the fatigue performance of Hastelloy-X manufactured using SLM.
Finally, the fatigue model is extended to predict the fatigue life of fat samples as a function of microstructure and surface roughness. The surface roughness layer, which is generated based on the experimental mean surface roughness Ra, is added to the RVE that imposed by free boundary conditions. It is shown that including in the simulation free surface with roughness allows to accurately predict the fatigue life of fat un-machined specimens which is considerable lower than polished bulk specimens.