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This contribution describes the investigation of flow channels which are designed to be directly integrated into an aerospike engine by means of additive manufacturing with laser powder bed fusion (LPBF). During the experimental testing of a previous aerospike engine in 2019, it was observed that high surface roughness of such additively manufactured integrated channels caused a significant reduction in the mass flow rates of the propellants ethanol and liquid oxygen as well as the coolant due to increased pressure drop. In an extensive study within the CFDmikroSAT project, various factors influencing this surface roughness are, therefore, being investigated, which include the geometry of the channels as well as selected manufacturing parameters of the LPBF process, such as layer thickness and component orientation. To further reduce the roughness after manufacturing, suitable post-processing methods are also being investigated for internal cavities, initially analysing the abrasive flow machining process. Within the paper, the overall investigation approach is presented, such as the overview of the considered specimens, and the initial results of a various studies with selected specimens are discussed. These studies consist of the examination of surface roughness reduction, shape accuracy and flow behaviour of post-processed cooling channel specimens. Finally, a brief overview of the already manufactured aerospike demonstrator is presented.

Electron beam powder bed fusion (PBF-EB/M) has been attracting great research interest as a promising technology for additive manufacturing of titanium aluminide alloys. However, challenges often arise from the process-induced evaporation of aluminum, which is linked to the PBF-EB/M process parameters. This study applies different volumetric energy densities during PBF-EB/M processing to deliberately adjust the aluminum contents in additively manufactured Ti–43.5Al–4Nb–1Mo–0.1B (TNM-B1) samples. The specimens are subsequently subjected to hot isostatic pressing (HIP) and a two-step heat treatment. The influence of process parameter variation and heat treatments on microstructure and defect distribution are investigated using optical and scanning electron microscopy, as well as X-ray computed tomography (CT). Depending on the aluminum content, shifts in the phase transition temperatures can be identified via differential scanning calorimetry (DSC). It is confirmed that the microstructure after heat treatment is strongly linked to the PBF-EB/M parameters and the associated aluminum evaporation. The feasibility of producing locally adapted microstructures within one component through process parameter variation and subsequent heat treatment can be demonstrated. Thus, fully lamellar and nearly lamellar microstructures in two adjacent component areas can be adjusted, respectively.

In recent years, additive manufacturing (AM) has been one of the essential production techniques in the engineering community. Rapid integration of this technique drew a bead on the reliability of the microstructural and mechanical properties of engineering components. However, due to the nature of the layer-by-layer approach of AM, complex thermal gradients can cause inhomogeneous microstructure and significant residual stresses (RS). These, expectedly, can lead to a dramatic reduction in material performance. Therefore, especially for alloys like Ni-based Inconel 718 (IN718) used in critical applications, the characterization and later optimization of the DED process on material properties become essential. Nevertheless, empirical and conventional approaches are needed to improve, or new techniques should be introduced. In this regard, this study aims to understand better the evolution of the mechanical and microstructural properties of IN718 during and post-DED processes. For this purpose, an in-situ 2D neutron diffraction strain monitoring was carried out during the DED of IN718. The strain contributions originated from microstructural, thermal, and stress-based events during deposition and cooling periods at different positions concerning melt pool were investigated. Stabilization of different positions and processing regions on the sample as a function of the temperature profile, build height, and microstructural events are examined. Laboratory-scale microstructural studies were performed on wire-DED parts to observe the process parameter dependency of precipitation, composition, and morphology of microstructural constituents. Moreover, these findings were benchmarked with neutron powder diffraction measurements to relate the crystallographic behavior with macroscopic ones. Solidification under different cooling rates and heat treatments was carried out using the neutron powder diffraction technique to comprehend the precipitation dynamics and explain the micr, In den letzten Jahren hat sich die additive Fertigung (AM) zu einer der wichtigsten Produktionstechniken in der Ingenieurwelt entwickelt. Die schnelle Integration dieser Technik hat die Zuverlässigkeit der mikrostrukturellen und mechanischen Eigenschaften von technischen Komponenten deutlich verbessert. Aufgrund des schichtweisen Ansatzes der AM können jedoch komplexe thermische Gradienten eine inhomogene Mikrostruktur und erhebliche Eigenspannungen (RS) verursachen. Diese können erwartungsgemäß zu einer dramatischen Verringerung der Materialleistung führen. Daher sind insbesondere bei Legierungen wie Inconel 718 (IN718) auf Ni-Basis, die in kritischen Anwendungen eingesetzt werden, die Charakterisierung und spätere Optimierung des DED-Prozesses auf die Materialeigenschaften von entscheidender Bedeutung. Dennoch müssen empirische und konventionelle Ansätze verbessert werden, oder es sollten neue Techniken eingeführt werden. In diesem Zusammenhang zielt diese Studie darauf ab, die Entwicklung der mechanischen und mikrostrukturellen Eigenschaften von IN718 während und nach dem DED-Prozess besser zu verstehen. Zu diesem Zweck wurde während des DED-Prozesses von IN718 eine in-situ 2D-Neutronenbeugungsmessung der Dehnung durchgeführt. Die Dehnungsbeiträge, die von mikrostrukturellen, thermischen und spannungsbasierten Ereignissen während der Abscheidungs- und Abkühlungsperioden an verschiedenen Positionen des Schmelzbades herrühren, wurden untersucht. Die Stabilisierung verschiedener Positionen und Verarbeitungsbereiche auf der Probe als Funktion des Temperaturprofils, der Aufschmelzhöhe und der mikrostrukturellen Ereignisse wurde untersucht. Im Labormaßstab wurden mikrostrukturelle Studien an Draht-DED-Teilen durchgeführt, um die Abhängigkeit der Prozessparameter von der Ausscheidung, Zusammensetzung und Morphologie der mikrostrukturellen Bestandteile zu beobachten. Darüber hinaus wurden diese Ergebnisse mit Neutronenpulverbeugungsmessungen verglichen, um das kristallog

Neuartige Konstruktionswerkstoffe, welche eine hohe Festigkeit mit einem niedrigen Materialgewicht verbinden, sind von besonderem Interesse in verschiedenen Anwendungsgebieten. Insbesondere im Mobilitätssektor sind derartige innovative und nachhaltige Werkstoffe mit hoher spezifischer Festigkeit von Bedeutung, um sowohl die angestrebte Reduktion von Fahrzeugemissionen als auch eine ausreichende mechanische Stabilität der Karosserie zu erreichen. Stähle weisen dabei aufgrund ihres großen Eigenschaftsspektrums und der umfassende Prozesskenntnis in der Stahlverarbeitung bzw. Herstellung ein hohes Potenzial auf und es kann historisch bedingt auf eine umfassende Prozesskenntnis in der Stahlverarbeitung bzw. Herstellung zurückgegriffen werden. Bisher wurden derartige Eigenschaftsprofile nur durch aufwändige Nachbehandlungsschritte realisiert. Ein durch gezielte Legierungsmodifikation im Kupferkokillenschwerkraftguss bei erhöhten Abkühlgeschwindigkeiten hergestellter hochfester Werkzeugstahl zeigt bereits im Gusszustand ein vielversprechendes mechanisches Eigenschaftsprofil. Dieses wurde sowohl im quasi-statischen als auch im dynamischen Druckversuch eingehender untersucht. Hierbei konnte nur eine marginale Dehnratenabhängigkeit für den neuartigen Werkzeugstahl beobachtet werden. Im dynamischen Druckversuch wurden adiabatische Scherbänder nachgewiesen, deren Entstehung durch verschiedene Methoden der Gefügecharakterisierung nachverfolgt werden konnten und als Vorläuferstellen für das Materialversagen durch Bruch anzusehen sind.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Einfluss der Porosität lichtbogendrahtgespritzter Zylinderlaufbahnen auf das Reibungsverhalten. Hierzu wird das fokussierte System aus Kolbenring, Schmierstoff und Lauffläche zunächst für einen repräsentativen Betriebspunkt per numerischer Abschätzung der Kolbenringzwischendrücke sowie der Schmierfilmdicke analysiert und eine Einteilung der Reibungszustände vorgenommen. Unter anderem auf Basis der strömungsmechanischen Ähnlichkeitstheorie erfolgt im Anschluss eine Ableitung von Betriebspunkten für experimentelle Untersuchungen an einem Mittelhub-Tribometer im Bereich der Grenzreibung sowie Mischreibung und Hydrodynamik. An diesem Modellprüfstand werden daraufhin zum einen Laufbahnsegmente differenter Porosität gegen einen nitrierten Kompressionsring bewertet. Neben skalaren Größen dienen wegaufgelöste Signale über dem Hub zur Analyse des Reibungsverhaltens. In Ergänzung zu den nitrierten Oberflächen wird das Potenzial einer ta-C Beschichtung zur Reibungsreduzierung bewertet. Die Übertragbarkeit der erarbeiteten Erkenntnisse auf den verbrennungsmotorischen Betrieb wird über eine Messreihe an einem Einzylinderprüfstand untersucht. Auch hier werden Oberflächendaten verwendet, um eine Korrelation zwischen den ermittelten Reibmitteldrücken respektive den wegaufgelösten Signalen und der Porosität herstellen zu können. Über diese experimentellen Untersuchungen hinaus wird das Verhalten des Schmierfilms zwischen dem Kolbenring und einzelner Poren der Lauffläche mit Hilfe der dreidimensionalen numerischen Strömungssimulation analysiert. Hierzu werden Laufbahnsegmente per Computertomographie vermessen, einzelne Porenobjekte isoliert und für die Simulation aufbereitet. Im Rahmen von stationären Berechnungen wird zunächst eine Vielzahl einzelner Objekte in einem abstrahierten System strömungsmechanisch untersucht. Die Analyse ausgewählter Poren in transienten Strömungssimulationen und die Bewertung der Übertragbarkeit der Erkenntnisse, This work deals with the influence of the porosity of twin wire arc sprayed cylinder liner on the friction behavior. For this purpose, the focused system of piston ring, lubricant and liner is first analyzed for a representative operating point by numerical estimation of the piston ring intermediate pressures as well as the lubricant film thickness and a classification of the friction states is carried out. Among other things, based on the mechanics of flow similarities, a calculation of operating points for experimental investigations on a medium stroke tribometer in the field of boundary friction as well as mixed and hydrodynamic friction is done subsequently. After that, on this model test bench, cylinder segments of different porosity are evaluated against a nitrided piston ring. Beside scalar values, signals above the stroke are used to analyze friction behavior. In addition to the nitrided surfaces, the potential of a ta-C coating for friction reduction is investigated. The transferability of the developed findings to the combustion-engined operation is evaluated via a series of measurements on a single cylinder test bench. Here, too, surface data is used to establish a correlation between the mean effective pressure of frictional forces determined or the signals above the stroke and the porosity. In addition to these experimental investigations, the behaviour of the lubricant film between the piston ring and single pores of the cylinder surface is evaluated using the three-dimensional numerical flow simulation. For this purpose, liner segments are measured by computed tomography, individual pore objects are isolated and processed for simulation. In the context of stationary calculations, a large number of individual objects are first examined in an abstracted system. The analysis of selected pores in transient flow simulations and the evaluation of the transferability of the findings complete this work.:1. Einleitung und wissenschaftliche Zielsetzung 1.1. Ein

This thesis presents a newly developed manufacturing method, based on cyber-physically enhanced hybrid machining, regarding an optical bench (OB) made of Ti6Al4V alloy for the Advanced Telescope for High-ENergy Astrophysics (ATHENA). The method includes sophisticated hybrid laser metal deposition equipment and state-of-the-art cryogenic machining hardware. The derived strategy combines localized energy input, preheating, heat treatment, intermediate stress relief and machining. This results in a complex thermal history and remaining residual stresses, representing a considerable challenge for final precision machining. The method targets first time right machining based on iterative machining, process data-based tool path correction and spatially resolved root cause research based on process data modeling.:II. Table of Contents I. Acknowledgement ............................................................ III II. Table of Contents ................................................................. I 1. Introduction ........................................................................ 1 1.1 Foreword .................................................................................... 1 1.2 Research Subject Lot Size One ....................................................... 2 1.2.1 Historical Perspective ................................................................. 2 1.2.2 Going Full Cycle ......................................................................... 3 2. State of the Art in Titanium Processing ............................... 4 2.1 Conventional Processing................................................................ 4 2.2 Additive Manufacturing ................................................................. 5 2.2.1 Introduction .............................................................................. 5 2.2.2 Powder Bed Fusion ..................................................................... 6 2.2.3 Direct Energy Deposition ..............

Triebwerkskomponenten in Luft- und Raumfahrtfahrzeugen unterliegen im Einsatz erosivem Verschleiß. Feine Stäube und Partikel wie Sand, Vulkanasche und Eiskristalle führen bei einer Wechselwirkung mit den Triebwerksschaufeln zum Materialabtrag. Auswirkungen reichen von einer erhöhten Oberflächenrauheit der Schaufel bis hin zu einer Veränderung der Bauteilgeometrie. Im Bereich des Verdichters treffen z. B. angesaugte Partikel senkrecht auf die Schaufelvorderkanten auf, wodurch sich die Profilsehnen verkürzen. Im Bereich der Schaufelhinterkanten erfolgt aufgrund des flachen Auftreffwinkels des Abrasivmittels ein flächiger Materialabtrag, der die Schaufeldicke reduziert. Durch eine Beschichtung von Bauteiloberflächen eröffnet sich eine Möglichkeit, Triebwerksschaufeln effektiv vor Partikelerosion zu schützen. Im Vordergrund der Entwicklung von Erosionsschutzschichten steht ihre verschleißreduzierende Wirkung, die durch das bestmögliche Verhältnis von Schichtzähigkeit und –härte zum Grundwerkstoff erreicht wird. Diese Arbeit liefert Untersuchungen zu Wechselwirkungen zwischen Beschichtungen und Grundwerkstoff als Gesamtsystem und den daraus resultierenden Einfluss auf das Partikelerosionsverhalten des Bauteils. Ziel der Untersuchungen ist es, eine bestmögliche Auswahl qualifizierter Schichtsysteme für den Erosionsschutz zu gewährleisten. Dafür wurden verschiedene Kombinationen aus PVD-Beschichtungen (konventionelle Hartstoffschichten, Cr2AlC MAX-Phase, DLC ta-C) und Grundwerkstoffen (Inconel 718 lösungsgeglüht, Inconel 718 ausscheidungsgehärtet, WC-Co) hinsichtlich ihres Partikelerosionsverhaltens getestet und ihre Schichtverbundeigenschaften charakterisiert, um relevante Einflussgrößen auf die Partikelerosion zu eruieren. Die dabei ablaufenden verschiedenen Erosionsmechanismen wurden analysiert und in grundlegende Modelle überführt. Abgerundet wurden diese experimentellen Untersuchungen mit theoretischen Betrachtungen zum mechanischen Verhalten unterschiedlicher Kombina

Sowohl Sand (CMAS) als auch Vulkanasche können die Wärmedämmschichten (TBC) einer Turbinenschaufel durch Infiltration der aufgeschmolzenen Aerosole und durch Partikelerosion schädigen. Das parallele Auftreten dieser beiden Schädigungsmechanismen an einer TBC ist bisher nur unzureichend analysiert. Vor diesem Hintergrund wurden in dieser Arbeit EB-PVD 7YSZ TBCs mit zwei verschiedenen Mikrostrukturen sowie die CMAS-beständigere EB-PVD Gd2Zr2O7 TBC untersucht. Zusätzlich wurde auf EB-PVD 7YSZ TBCs mittels Suspensions-plasmaspritzen eine CMAS-beständige Al2O3-Schicht aufgebracht. Die Erosionsversuche erfolgten bei Raumtemperatur an den TBCs vor und nach einer CMAS-Infiltration. Die Cha-rakterisierung der TBCs wurde hauptsächlich mittels instrumentierter Eindringprüfung durch-geführt und durch thermodynamische Berechnungen der Phasenanteile in den Schichten nach der CALPHAD-Methode unterstützt. Somit können die wesentlichen Einflussgrößen der CMAS-Infiltration und Partikelerosion in dieser Arbeit erstmals wissenschaftlich-systematisch evaluiert und in Korrelation miteinander gesetzt werden. Sowohl die Wechselwirkung mechanischer Schichteigenschaften (wie E-Modul, Härte, Bruchzähigkeit) und der Schichtmikrostruktur mit dem Erosionsverhalten er-möglichen die Ableitung von Mikrostruktur-Eigenschaftsbeziehungen. Auf deren Basis wird ein wissenschaftliches Verständnis des komplexen Schädigungsvorgangs aufgebaut. Es zeigt sich, dass verschiedene Mikrostrukturcharakteristika der EB-PVD 7YSZ TBC, wie Federarme und Stängeldurchmesser, großen Einfluss auf die Erosionsbeständigkeit von unin-filtrierten und infiltrierten TBCs haben. Generell erhöht sich die Erosionsbeständigkeit durch die CMAS-Infiltration, allerdings zum Nachteil der mechanischen Integrität der TBC. Der CaO-Gehalt des CMAS und die Infiltrationszeit werden als wesentliche Einflussfaktoren auf das Erosionsverhalten identifiziert. Diese Einflüsse dominieren auch die Erosionsbeständigkeit der untersuchten CMAS-beständi, Both sand (CMAS) and volcanic ash can damage the thermal barrier coatings (TBC) of a turbine blade through the infiltration of the molten aerosols and particle erosion. The parallel occurrence of both damage mechanisms on a TBC has not yet been sufficiently analyzed. Against this background, this thesis investigated EB-PVD 7YSZ TBCs with two different mi-crostructures and the CMAS-resistant EB-PVD Gd2Zr2O7 TBC. In addition, CMAS-resistant Al2O3 coatings were applied on EB-PVD 7YSZ TBCs using suspension plasma spraying. The erosion tests were realized at room temperature on these TBCs before and after CMAS infil-tration. The characterization of the TBCs was mainly performed by using mechanical indenta-tion measurements and was supported by thermodynamic calculations of the phase fractions in the coating according to the CALPHAD method. Thus, for the first time in this work, the main influencing variables of CMAS infiltration and particle erosion can be evaluated systematically and correlated with each other. Both the in-teraction of mechanical coating properties (such as modulus of elasticity, hardness, fracture toughness) and the coating microstructure with the erosion behavior allow the construction of microstructure-property relationships. Based on these relationships, a fundamental under-standing of the complex damage process is gained. It is shown that different microstructural characteristics of the EB-PVD 7YSZ TBC, such as feather-arms and column diameters, have a great influence on the erosion resistance of not infiltrated and infiltrated TBCs. In general, erosion resistance is increased by CMAS infiltra-tion, at the expense of the mechanical integrity of the TBC. The CaO-content of the CMAS and the infiltration time are identified as major factors influencing the erosion behavior. These influences also dominate the erosion resistance of the investigated CMAS-resistant TBC systems made of Gd2Zr2O7 or Al2O3. The formation of a reaction layer due to CMAS infilt

Collision welding is a high-speed joining technology based on the plastic deformation of at least one of the joining partners. During the process, several phenomena like the formation of a so-called jet and a cloud of particles occur and enable bond formation. However, the interaction of these phenomena and how they are influenced by the amount of kinetic energy is still unclear. In this paper, the results of three series of experiments with two different setups to determine the influence of the process parameters on the fundamental phenomena and relevant mechanisms of bond formation are presented. The welding processes are monitored by different methods, like high-speed imaging, photonic Doppler velocimetry and light emission measurements. The weld interfaces are analyzed by ultrasonic investigations, metallographic analyses by optical and scanning electron microscopy, and characterized by tensile shear tests. The results provide detailed information on the influence of the different process parameters on the classical welding window and allow a prediction of the different bond mechanisms. They show that during a single magnetic pulse welding process aluminum both fusion-like and solid-state welding can occur. Furthermore, the findings allow predicting the formation of the weld interface with respect to location and shape as well as its mechanical strength.

Hochentropielegierungen stellen einen neuen Entwicklungsansatz metallischer Werkstoffe ohne ein eigenschaftsbestimmendes Hauptelement dar. Die zielgerichtete Übertragung der bisher überwiegend an Massivwerkstoffen ermittelten Eigenschaften in die Beschichtungstechnik erfordert die Kenntnis der bestimmenden Einflussfaktoren. Für die Schichtherstellung werden die Verfahren des thermischen Spritzens betrachtet. Hierfür wird eine geeignete Prozessroute ermittelt. Die detaillierten Untersuchungen zu den Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen erfolgen an Legierungen mit variabler Struktur. Diese werden anhand von thermodynamischen Parametern sowie Untersuchungen an schmelzmetallurgisch hergestellten Massivwerkstoffen ausgewählt. Zur Bewertung des Einflusses der Größe der Strukturmerkmale, der Heterogenität und möglicher Ungleichgewichtszustände werden schmelz- und pulvermetallurgisch hergestellte Massivwerkstoffe als Referenz betrachtet. Die geplanten Forschungsarbeiten tragen zu einem Verständnis der Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehung von Hochentropielegierungen bei. Weiterhin wird eine geeignete Prozessroute für die pulvermetallurgische Verarbeitung sowie für Anwendungen in der Oberflächentechnik ermittelt.