Salīdzinot ar virziena enerģijas nogulsnēšanos, selektīvā lāzerkausēšana ir mazāk pētīta funkcionāli klasificētu materiālu ražošanai, un pēc{0}}apstrādes logs joprojām ir neskaidrs.
Mūsu pētnieki izmantoja SLM tehnoloģiju, lai sagatavotu 316L/IN718 funkcionāli klasificētus materiālus un sistemātiski novērtēja reprezentatīvo termiskās apstrādes procesu ietekmi uz fāzes attīstību un stiepes īpašībām.
1.SLM 316L/IN718 funkcionāli šķirotu materiālu sagatavošana
2. Termiskās apstrādes process
Pamatojoties uz iepriekšminētā attēla analīzi, tika izstrādāta gradienta termiskās apstrādes shēma. Tika izvēlētas divas šķīduma temperatūras: 980 grādi (zem šķīduma temperatūras) un 1040 grādi (virs šķīduma temperatūras), apvienojumā ar divām novecošanas stratēģijām: vienreizēju novecošanu pie 720 grādiem un dubulto novecošanu pie 720 grādiem + 620 grādiem. Pamatojoties uz to, tika izveidotas piecas kontroles eksperimentu kopas:
AD grupa (deponēts stāvoklis): saglabāts sākotnējā sagatavošanas stāvoklī;
HT1 grupa: 1040 grādu šķīduma apstrāde 1 stundu (rūdīšana ar ūdeni) + 720 grādu vienreizēja novecošana 8 stundas (gaisa dzesēšana);
HT2 grupa: 1040 grādu šķīduma apstrāde 1 stundu (rūdīšana ar ūdeni) + 720 grādu vecināšana 8 stundas, kam seko 620 grādu vecināšana 8 stundas (krāsns dzesēšana);
HT3 grupa: 980 grādu šķīduma apstrāde 1 stundu (rūdīšana ar ūdeni) + 720 grādu vienreizēja novecošana 8 stundas (gaisa dzesēšana);
HT4 grupa: 980 grādu šķīduma apstrāde 1 stundu (rūdīšana ar ūdeni) + 720 grādu vecināšana 8 stundas, kam seko 620 grādu vecināšana 8 stundas (dzesēšana krāsnī).
3.Fāzes transformācija pēc termiskās apstrādes
Piecas rentgenstaru difrakcijas (XRD) modeļu kopas Y-Z plaknē dažādos termiskās apstrādes apstākļos ar testa apgabaliem, kas aptver: 1. reģionu (IN718 saturs 70–100%), 2. reģionu (IN718 saturs 40–70%) un 3. reģionu (IN718 saturs 0–30%).
Difrakcijas maksimālās intensitātes piecos termiskās apstrādes apstākļos neuzrādīja būtiskas atšķirības; difrakcijas shēmā dominēja austenīta fāzes Brega atstarojums-, jo īpaši sejas-centrētas kubiskās (FCC) struktūras-spēcīgās (111) un (200) virsotnes.
HT1-apstrādātajā paraugā no 1. reģiona pīķu (111) un (220) intensitāte bija augstāka nekā nogulsnētā stāvokļa (AD) intensitāte. Turklāt visās termiski apstrādātajās grupās bija difrakcijas maksimums (311), kas norāda, ka pēc termiskās apstrādes izveidojās papildu pastiprinošā fāze.
HT1 apstākļos difrakcijas maksimumi 2. reģionā ir plašāki un ar zemāku intensitāti, kas liecina, ka fāzes stabilitāte šajā reģionā ir vājāka.
3. apgabalā (111) pīķa intensitāte HT3-apstrādātajā paraugā tika ievērojami palielināta. Proti, 1. apgabala XRD shēmā tika konstatētas stiprināšanas fāzes. Ātra dzesēšana augstas caurlaidības SLM sagatavošanas laikā neveicina ' un ' fāžu nogulsnēšanos, savukārt termiskā apstrāde nodrošina pietiekamu laiku šo stiprināšanas fāžu nogulsnēšanai, kas izskaidro (200) un (220) pīķa termiskās apstrādes maksimumu intensitātes palielināšanos.
Pēc termiskās apstrādes ar HT2 un HT4 XRD shēmās tika konstatēti arī (311) fāžu difrakcijas maksimumi. Tomēr, salīdzinot ar (311) difrakcijas maksimumiem pēc šķīduma apstrādes un vienreizējas novecošanas, difrakcijas maksimumi pēc dubultās novecošanas bija intensīvāki, norādot, ka dubultās novecošanas process vēl vairāk veicināja stiprināšanas fāžu veidošanos. Stiprināšanas fāzes difrakcijas maksimumu intensitāte bija īpaši nozīmīga HT2 apstrādes apstākļos, norādot, ka šī termiskā apstrāde veicināja vairāk fāzu nogulsnēšanos. Paredzams, ka stiprināšanas fāzes nokrišņu efekts pozitīvi ietekmēs ar HT2 apstrādātā stāvokļa mehāniskās īpašības. Tomēr galvenās pīķa termiskā orientācija (111. apstrādē vēlamā kristāla orientācija būtiski nemainīja). 316L/IN718 funkcionāli klasificēts materiāls.
4.Mikrostruktūra pēc termiskās apstrādes
Depozīcijas (AD) apstākļos 1. apgabalā pastāv garas-ķēdes Laves fāzes. Tā kā šajā reģionā ir augsts IN718 saturs, starpgranulārajā reģionā izgulsnējas liels daudzums Nb-bagātas fāzes ar sastāvu (Ni, Fe, Cr)2(Nb, Mo, Ti). HT1 apstrādē lielākā daļa Laves fāzes izšķīst un saplīst, un atlikušā fāze pārvēršas granulētā morfoloģijā. Apstrādē ar HT3 Lavesa fāze arī pārvēršas granulētā formā šķīdināšanas procesā, ko papildina adatas -līdzīga/stieņa- δ-Ni3Nb fāžu nogulsnēšanās. Tas norāda, ka gan HT1, gan HT3 paraugi izraisīja elementu (Ni, Nb, C, Mo) difūzijas segregāciju 1. reģionā, kas atbilst in-situ statistisko metālu sadalījuma mērījumu rezultātiem nogulsnēšanās un termiski apstrādātos paraugos, izmantojot augstas-fluorescences{20}spektroskopijas rentgenstaru.
Daudzpakāpju analīzes rezultāti apstiprina, ka, kontrolējot Laves fāzes šķīdību šķīduma temperatūrā un kontrolējot δ-Ni3Nb fāzes morfoloģiju novecošanas laikā, var panākt gradienta materiālu stiprības un plastiskuma sinerģisku optimizāciju. Tas nodrošina galvenos fāzu inženierijas pamatprincipus jaunu gradienta termiskās apstrādes procesu izstrādei.
3. reģiona mikrostruktūras attīstība dažādos termiskās apstrādes režīmos atklāj fāzes transformācijas kinētiku, ko nosaka kompozīcijas gradienta un termiskās vēstures savienojuma efekts. Ir apkopots šī reģiona šķērs-mēroga mikrostruktūras evolūcijas mehānisms un noteikts korelācijas mehānisms starp termisko apstrādi, graudu robežu inženieriju un mehāniskajām īpašībām. Nogulsnēšanās (AD) apstākļos 316L-dominējošais apgabals (Cr/Ni=1.82) iet pa ferīta-austenīta (FA) divfāzu-sacietēšanas ceļu, veidojot šūnu dendrītu struktūru. Pēc HT1 termiskās apstrādes Cr/Ni attiecība samazinās līdz 1,35. Šī kompozīcijas pārveide veicina sacietēšanas ceļu no ferīta-austenīta divfāzes-uz pilnībā austenīta vienfāzes{14}}struktūru, ievērojami samazinot starpdendrītiskā ferīta saturu. Fāzes identifikācija apstiprina šo transformāciju: FCC fāze ir -austenīta matrica, BCC fāze ir δ-ferīts, un Ni3Al atbilst nogulšņu fāzei. 3. reģionā dominē austenīts, kas satur nelielu daudzumu izkliedēta ferīta. Ar kvantitatīvo attēlu analīzi izmērītās ferīta tilpuma daļas bija attiecīgi 3,5% (AD), 0,7% (HT1), 0,2% (HT2), 1,5% (HT3) un 0,8% (HT4), kas apstiprina, ka ferīta saturs visos termiski apstrādātajos stāvokļos bija zemāks nekā nogulsnētā stāvoklī.
Pēc-nogulsnēšanas siltuma iedarbība veicina statisko pārkristalizāciju, izraisot graudu rupjību un ievērojamu dendrīta attāluma samazināšanos. Būtisks ir arī kompozīcijas gradienta sinerģiskais efekts: veidošanās virzienā (IN718 saturs palielinās no 0 līdz 100 masas%), lokālā dzesēšanas ātruma samazināšanās izraisa pakāpenisku dendrīta plecu rupjību. Nogulsnētajam paraugam 3. reģionā ir raksturīgi smalki līdzsvaroti graudi ar vēl mazākiem graudu izmēriem (~ 8,4 μm) kausējuma baseina apakšā lāzera pārkausēšanas dēļ. Turpretim termiski -apstrādātajiem paraugiem graudu lieluma sadalījums ir vienmērīgāks, bet 3. apgabalā pēc termiskās apstrādes notiek graudu rupjība,{11}}HT1 un HT3 paraugu vidējais graudu izmērs ir attiecīgi 10,40 μm un 11,64 μm. Šī rupjība galvenokārt ir saistīta ar siltuma uzkrāšanas un dzesēšanas ātruma sinerģisko efektu: 3. apgabals atrodas gradienta materiāla apakšā, kā rezultātā samazinās siltuma uzkrāšanās augstas-enerģijas SLM procesa laikā un ir smalkāki sākotnējie graudi; savukārt lēnais dzesēšanas process pēc nogulsnēšanās termiskās apstrādes nodrošina pietiekami daudz laika graudu augšanai. Turklāt paraugā ir nepārtraukti kolonnu kristāli, kas iekļūst vairākos slāņos. SLM procesa ātrās virziena sacietēšanas īpašību dēļ graudu augšanas virziens parasti atbilst maksimālās temperatūras gradienta virzienam (ti, perpendikulāri izkausētā baseina apakšai).
Šķīduma apstrāde ievērojami samazina tekstūras stiprību un uzlabo viendabīgumu, un HT2 uzrāda visnozīmīgāko efektu: 1040 grādu šķīduma apstrāde apvienojumā ar dubulto novecošanu izraisa apakšgraudu robežu veidošanos, palielinot mazo -leņķu graudu robežu (LAGB) īpatsvaru līdz 39,1% (augstākais starp visām termiskās apstrādes metodēm). Tas ievērojami uzlabo gradienta struktūras vairāku mērogu koordinētu deformācijas spēju un veicina izotropisku uzvedību.
Pēc-šķīduma termiskā apstrāde ievērojami samazina atlikušo spriegumu un veicina būtisku Laves fāzes izšķīšanu (šķīdināšanas pakāpe palielinās monotoni līdz ar šķīduma temperatūru); augstas -caurlaidības SLM pēc būtības uzlabo nogulsnēto mikrostruktūru, pateicoties tās augstajam dzesēšanas ātrumam, bet sekojošā termiskā apstrāde izraisa ievērojamu graudu rupjību. Konkrēti, pēc šķīduma apstrādes 980 grādu temperatūrā paliek neliels daudzums δ-Ni3Nb fāzes, kas norāda, ka šī temperatūra ir zem δ-Ni3Nb fāzes šķīduma līnijas.
5. Stiepes īpašības
Stiepes lūzums gandrīz pilnībā bija koncentrēts kompozīcijas pārejas zonā starp 30% IN718 + 70% 316L un 40% IN718 + 60% 316L reģioniem, kur elementu segregācija bija visizteiktākā. Vienīgais izņēmums bija HT2 termiski apstrādātā{8}} stāvoklī, kad lūzums sākās 50% 316L + 50% IN718 reģionā un tika pavadīts ar ievērojamu kakla izgriezumu. Šie atklājumi kvantitatīvi parāda, ka 316L/IN718 funkcionāli šķirotu materiālu (FGM) nestspējai dominē kompozīcijas gradienta izmaiņas.
Kad šķīduma temperatūra ir 1040 grādi, tiek uzlabota gan materiāla izturība, gan plastiskums. Vienreizējas novecošanas apstrādē HT1 process ievērojami uzlabo 316L/IN718 funkcionāli šķiroto materiālu (FGM) izturību labāk nekā HT2 ar 6,58% stiprinošo efektu. Paraugs, kas apstrādāts ar HT2, uzrādīja visbūtiskāko pagarinājuma pieaugumu 1040 grādu šķīduma temperatūrā, palielinoties aptuveni par 62,99%.Šie rezultāti liecina, ka 1040 grādu šķīduma temperatūrā vienreizēja novecošana vairāk veicina stiprības uzlabošanos, savukārt dubultā novecošana vairāk veicina plastiskuma uzlabošanos.
Kad šķīduma apstrādes temperatūra nokrītas līdz 980 grādiem, materiāla izturība palielinās (augstāka ar dubultu novecošanu un labāka ar vienreizēju novecošanu), bet plastiskums samazinās salīdzinājumā ar nogulsnēto stāvokli.Kopējais stiprības un plastiskuma uzlabojums norāda, ka HT2 ir optimāla termiskā apstrāde 316L/IN718 funkcionāli klasificētiem materiāliem.
6.noslēgumā
(1) Šķīduma temperatūra dominē fāzes evolūcijas ceļā, savukārt novecošanās ietekme ir niecīga. Šķīduma temperatūra, kas ir lielāka par vai vienāda ar 1040 grādiem, var ievērojami izšķīdināt Laves fāzi un kavēt δ-Ni3Nb fāzes veidošanos, tādējādi atbrīvojot Nb elementus turpmākai ″/ ′ stiprināšanas fāzes izgulsnēšanai, nodrošinot nepieciešamo priekšnoteikumu laba līdzsvara iegūšanai starp stiprību un plastiskumu.
(2) Novecošanas metodes ļauj kontrolēt izturību{1}}plastiskumu. Divkārša novecošana pēc šķīduma apstrādes 1040 grādos var palielināt plastiskumu par aptuveni 30%, nezaudējot izturību, padarot to piemērotu augstas -plastikas izmantošanai. Un otrādi, šķīduma apstrāde 980 grādu leņķī izraisa adatu-, piemēram, δ-Ni3Nb fāžu nogulsnēšanos gar graudu robežām; tas izraisa ievērojamu plastiskuma samazināšanos gan vienreizējas, gan dubultas novecošanas gadījumā, un tāpēc to ieteicams lietot tikai gadījumos, kad dominē vidēja temperatūras šļūde.
(3)Gradienta komponentiem nepieciešama “homogenizācija augstā{1}}temperatūra, kam seko zemas{2}temperatūras novecošanas” stratēģija. Pats IN718 bagātinātais reģions ir bagāts ar Nb un Mo elementiem, tādēļ ir nepieciešama iepriekšēja šķīduma apstrāde ar 1040 grādiem vai lielāku; pretējā gadījumā sekojošā novecošana zemā-temperatūrā veidos nepārtrauktu adatu-, piemēram, δ-Ni3Nb fāzes tīklu, kā rezultātā telpas -temperatūras izturības zudums ir lielāks par vai vienāds ar 40%. Šī apstrādes secība var kalpot kā vispārējs projektēšanas princips termiskai apstrādei pēc līdzīgu funkcionāli šķirotu materiālu (FGM) selektīvas lāzerkausēšanas (SLM).
(4) Gradienta materiālu raksturošanai ir jānotiek trīs-pakāpju slēgtā- cilpas procesā: pirmkārt, tiek veikta makroskopiskā stiepes pirms-skrīnings, lai noteiktu partiju-līdz{5}}atšķirības; otrkārt, deformācijas lauka sadalījuma kartes ε(x) tiek uzzīmētas, izmantojot pilnas-lauka digitālā attēla korelācijas (DIC) tehnoloģiju, un lokālās spriedzes-deformācijas (σ-ε) konstitutīvās attiecības tiek iegūtas, izmantojot mikro/nano-mēroga mehānisko testēšanu; visbeidzot, tiek kalibrēts gradienta konstitutīvais modelis, kas iegults ar galīgo elementu analīzi (FEA). Šī verifikācijas ķēde var atsaistīt vispārējo reakciju uz telpiski atrisinātām dizaina pieļaujamām vērtībām, tādējādi ļaujot{11}}precīzi pielāgot procesu un novērtēt pakalpojuma uzticamību.
