Suuntaiseen energiapinnoitukseen verrattuna selektiivistä lasersulatusta on tutkittu vähemmän toiminnallisesti lajiteltujen materiaalien valmistuksessa, ja jälkikäsittelyikkuna on edelleen epäselvä.
Tutkijamme käyttivät SLM-teknologiaa toiminnallisesti luokiteltujen 316L/IN718-materiaalien valmistukseen ja arvioivat systemaattisesti edustavien lämpökäsittelyprosessien vaikutukset faasin kehittymiseen ja vetoominaisuuksiin.
1. 316L/IN718 toiminnallisesti luokiteltujen materiaalien SLM-valmistus
2. Lämpökäsittelyprosessi
Yllä olevan kuvan analyysin perusteella suunniteltiin gradienttilämpökäsittelykaavio. Valittiin kaksi liuoslämpötilaa: 980 astetta (liuoslämpötilan alapuolella) ja 1040 astetta (liuoslämpötilan yläpuolella), yhdistettynä kahteen vanhentamisstrategiaan: yksivanhentaminen 720 asteessa ja kaksoisvanhentaminen 720 asteessa + 620 asteessa. Tämän perusteella muodostettiin viisi kontrollikoetta:
AD-ryhmä (talletettu tila): säilytetty alkuperäisessä valmistelutilassaan;
HT1-ryhmä: 1040 asteen liuoskäsittely 1 tunnin ajan (vesisammutus) + 720 asteen yksivanhennus 8 tunnin ajan (ilmajäähdytys);
HT2-ryhmä: 1040 asteen liuoskäsittely 1 tunnin ajan (vesijäähdytys) + 720 asteen vanhentaminen 8 tunnin ajan, jota seuraa 620 asteen vanhentaminen 8 tunnin ajan (uunijäähdytys);
HT3-ryhmä: 980 asteen liuoskäsittely 1 tunnin ajan (vesisammutus) + 720 asteen yksivanhennus 8 tunnin ajan (ilmajäähdytys);
HT4-ryhmä: 980 asteen liuoskäsittely 1 tunnin ajan (vesisammutus) + 720 asteen vanhentaminen 8 tunnin ajan, jota seuraa 620 asteen vanhentaminen 8 tunnin ajan (uunijäähdytys).
3. Vaiheenmuutos lämpökäsittelyn jälkeen
Y
Diffraktiohuippujen intensiteetit viidessä lämpökäsittelyolosuhteissa eivät osoittaneet merkittäviä eroja; austeniittisen faasin Bragg-heijastus-erityisesti pinnan-keskittyneen kuutiorakenteen (FCC) vahvat (111) ja (200) piikit- hallitsi diffraktiokuviota.
HT1-käsitellyssä näytteessä alueelta 1 huippujen (111) ja (220) intensiteetit olivat korkeammat kuin saostuneen tilan (AD). Lisäksi kaikissa lämpökäsitellyissä ryhmissä oli diffraktiopiikki (311), mikä osoitti, että lämpökäsittelyn jälkeen muodostui lisävahvistusfaasi.
HT1-olosuhteissa diffraktiohuiput alueella 2 ovat leveämpiä ja niillä on pienempi intensiteetti, mikä viittaa siihen, että faasistabiilisuus tällä alueella on heikompi.
Alueella 3 (111)-piikin intensiteetti HT3--käsitellyssä näytteessä parani merkittävästi. Erityisesti alueen 1 XRD-kuviossa havaittiin vahvistusvaiheita ' ja ". Nopea jäähtyminen korkean suorituskyvyn SLM:n valmistuksen aikana ei edistä ' ja " faasien saostumista, kun taas lämpökäsittely tarjoaa riittävästi aikaa näiden vahvistusfaasien saostumiseen, mikä selittää kidetason (200) ja (231) lämpökäsittelyn piikin intensiteetin kasvun.
HT2- ja HT4-lämpökäsittelyn jälkeen XRD-kuvioissa havaittiin myös (311)- ja '-vaiheiden diffraktiopiikkejä. Liuoskäsittelyn ja kertavanhentamisen jälkeisiin diffraktiohuippuihin (311) verrattuna kaksoisvanhentamisen jälkeiset diffraktiohuiput olivat kuitenkin voimakkaampia, mikä viittaa siihen, että kaksoisvanhentaminen edisti entisestään vahvistusvaiheiden muodostumista. Vahvistusfaasin diffraktiohuippujen intensiteetti oli erityisen merkittävä HT2-käsittelyolosuhteissa, mikä viittaa siihen, että tämä lämpökäsittely edisti useamman ' ja " faasien saostumista. Vahvistusvaiheen saostusvaikutuksen odotetaan vaikuttavan positiivisesti HT2-käsitellyn tilan mekaanisiin ominaisuuksiin. Kuitenkin pääpiikin lämpösuuntaus (111) ei muuttanut suositeltua kideorientaatiota (111). 316L/IN718 toiminnallisesti luokiteltu materiaali.
4. Mikrorakenne lämpökäsittelyn jälkeen
Saostumisolosuhteissa (AD) alueella 1 on pitkä-ketjuinen Laves-faasi. Koska tällä alueella on korkea IN718-pitoisuus, suuri määrä Nb-rikasta faasia saostuu rakeidenväliselle alueelle, jonka koostumus on (Ni, Fe, Cr)2(Nb, Mo, Ti). HT1-käsittelyssä suurin osa Laves-faasista liukenee ja murtuu, ja jäännösfaasi muuttuu rakeiseksi morfologiaksi. HT3-käsittelyssä Laves-faasi muuttuu myös rakeiseen muotoon liukenemisprosessin kautta, johon liittyy neulan -kaltaisten/sauvojen-kaltaisten δ-Ni3Nb-faasien saostuminen. Tämä osoittaa, että sekä HT1- että HT3-näytteet aiheuttivat alkuaineiden (Ni, Nb, C, Mo) diffuusiosegregaatiota alueella 1, mikä on yhtäpitävä metallien in-tilastollisen jakautumismittauksen tulosten kanssa saostus- ja lämpö{18}}käsitellyissä näytteissä käyttämällä korkean-fluoresenssispektroskopysäteen.
Moniasteikon analyysitulokset vahvistavat, että säätämällä Laves-faasin liukoisuutta liuoksen lämpötilan kautta ja säätämällä δ-Ni3Nb-faasin morfologiaa vanhenemisajan kautta, voidaan saavuttaa gradienttimateriaalien lujuuden ja plastisuuden synergistinen optimointi. Tämä tarjoaa keskeiset vaihesuunnittelun ohjaavat periaatteet uusien gradienttilämpökäsittelyprosessien kehittämiseen.
Alueen 3 mikrorakenteen evoluutio eri lämpökäsittelymenetelmissä paljastaa faasimuutoskinetiikan, jota ohjaa koostumusgradientin ja lämpöhistorian kytkentävaikutus. Tämän alueen poikki-mittakaavan mikrorakenteen evoluutiomekanismi on yhteenveto ja korrelaatiomekanismi lämpökäsittelyn, raerajojen suunnittelun ja mekaanisten ominaisuuksien välillä on määritetty. Saostumisolosuhteissa (AD) 316L-dominoiva alue (Cr/Ni=1.82) seuraa ferriitti-austeniitin (FA) kaksivaiheista-kiinteytymisreittiä muodostaen soludendriittisen rakenteen. HT1-lämpökäsittelyn jälkeen Cr/Ni-suhde laskee arvoon 1,35. Tämä koostumuksen muutos edistää jähmettymisreittiä ferriitti-austeniittikaksois--vaiheesta täysin austeniittiseen yksivaiheiseen Vaiheiden tunnistaminen vahvistaa tämän muunnoksen: FCC-faasi on -austeniittimatriisi, BCC-faasi on δ-ferriittiä ja Ni3Al vastaa sakkafaasia. Aluetta 3 hallitsee austeniitti, joka sisältää pienen määrän dispergoitunutta ferriittiä. Kvantitatiivisella kuva-analyysillä mitatut ferriitin tilavuusosuudet olivat 3,5 % (AD), 0,7 % (HT1), 0,2 % (HT2), 1,5 % (HT3) ja 0,8 % (HT4), mikä vahvistaa, että ferriittipitoisuus kaikissa lämpökäsitellyissä tiloissa oli alhaisempi kuin kerrostuneessa tilassa.
Laskeutumisen jälkeinen lämpöaltistus- edistää staattista uudelleenkiteytymistä, mikä johtaa rakeiden karkenemiseen ja dendriittivälin merkittävään pienenemiseen. Myös koostumusgradientin synergistinen vaikutus on merkittävä: muodostumissuunnassa (IN718-pitoisuus kasvaa 0:sta 100 painoprosenttiin) paikallisen jäähdytysnopeuden pieneneminen indusoi dendriittivarsien asteittaista karkenemista. Alueella 3 olevalle näytteelle on ominaista hienojakoiset rakeet, joissa on vielä pienempiä raekokoja (~8,4 μm) sulaaltaan pohjalla laseruudelleensulatuksen vuoksi. Sitä vastoin lämpökäsitellyissä näytteissä on tasaisempi raekokojakauma, mutta raekarkenemista tapahtuu alueella 3 lämpökäsittelyn jälkeen-HT1- ja HT3-näytteiden keskimääräiset raekoot ovat 10,40 μm ja 11,64 μm. Tämä karkeneminen johtuu pääasiassa lämmön kertymisen ja jäähdytysnopeuden synergistisesta vaikutuksesta: alue 3 sijaitsee gradienttimateriaalin pohjalla, mikä johtaa vähemmän lämmön kertymiseen korkean{18}}energian SLM-prosessin aikana ja hienompiin alkurakoihin. kun taas hidas jäähtyminen kerrostuslämpökäsittelyn jälkeen antaa riittävästi aikaa jyvien kasvulle. Lisäksi näyte sisältää jatkuvia pylväskiteitä, jotka läpäisevät useita kerroksia. SLM-prosessin nopean suunnatun jähmettymisominaisuuksien vuoksi jyvien kasvusuunta on yleensä yhdenmukainen suurimman lämpötilagradientin suunnan kanssa (eli kohtisuorassa sulan altaan pohjaa vastaan).
Liuoskäsittely vähentää merkittävästi tekstuurin lujuutta ja parantaa tasaisuutta, ja HT2:lla on merkittävin vaikutus: 1040 asteen liuoskäsittely yhdistettynä kaksinkertaiseen vanhenemiseen indusoi raerajarajojen muodostumista, mikä nostaa pienten -kulmarakeiden (LAGB) osuuden 39,1 prosenttiin (korkein kaikista lämpökäsittelyistä). Tämä parantaa huomattavasti gradienttirakenteen moni-mittakaavan koordinoitua muodonmuutoskykyä ja edistää isotrooppista käyttäytymistä.
Liuoksen -jälkeinen lämpökäsittely vähentää merkittävästi jäännösjännitystä ja edistää Laves-faasin huomattavaa liukenemista (liukenemisaste kasvaa monotonisesti liuoksen lämpötilan mukaan); korkean-läpäisykyvyn SLM luonnostaan jalostaa kerrostunutta mikrorakennetta korkean jäähdytysnopeutensa ansiosta, mutta myöhempi lämpökäsittely aiheuttaa merkittävää jyvän karkenemista. Erityisesti pieni määrä δ-Ni3Nb-faasia jää jäljelle liuoskäsittelyn jälkeen 980 asteessa, mikä osoittaa, että tämä lämpötila on δ-Ni3Nb-faasiliuosviivan alapuolella.
5. Vetoominaisuudet
Vetomurtuma keskittyi lähes kokonaan koostumuksen siirtymävyöhykkeelle 30 % IN718 + 70 % 316L ja 40 % IN718 + 60 % 316L alueiden välillä, missä alkuainesegregaatio oli voimakkainta. Ainoa poikkeus tapahtui HT2-lämmöllä{8}}käsitellyssä tilassa, jossa murtuma alkoi 50 % 316L + 50% IN718-alueella ja siihen liittyi merkittävä kaventuminen. Nämä havainnot osoittavat kvantitatiivisesti, että koostumuksen gradienttivaihtelut hallitsevat 316L/IN718 funktionaalisesti luokiteltujen materiaalien (FGM) kantavuutta.
Kun liuoksen lämpötila on 1040 astetta, materiaalin lujuus ja plastisuus paranevat. Yksittäisvanhentamiskäsittelyssä HT1-prosessi parantaa merkittävästi 316L/IN718 funktionaalisesti luokiteltujen materiaalien (FGM) lujuutta paremmin kuin HT2, vahvistaen 6,58 %. HT2:lla käsitelty näyte osoitti merkittävin venymän lisäys 1040 asteen liuoslämpötilassa, kasvun ollessa noin 62,99 %.Nämä tulokset osoittavat, että 1040 asteen liuoslämpötilassa yksittäinen vanheneminen edistää lujuuden paranemista, kun taas kaksoisvanhentaminen edistää plastisuuden paranemista.
Kun liuoskäsittelyn lämpötila laskee 980 asteeseen, materiaalin lujuus kasvaa (suurempi kaksoisvanhentaessa ja parempi kertavanhentaessa), mutta plastisuus laskee kerrostettuun tilaan verrattuna.Yhdistetty lujuuden ja plastisuuden parantuminen osoittaa, että HT2 on optimaalinen lämpökäsittely 316L/IN718 toiminnallisesti luokitelluille materiaaleille.
6.lopuksi
(1) Liuoksen lämpötila hallitsee vaiheen evoluutiopolkua, kun taas ikääntymisen vaikutus on mitätön. Liuoksen lämpötila, joka on suurempi tai yhtä suuri kuin 1040 astetta, voi merkittävästi liuottaa Laves-faasin ja estää δ-Ni3Nb-faasin muodostumisen, jolloin vapautuu Nb-elementtejä myöhempää ″/′-vahvistusfaasin saostumista varten, mikä on välttämätön edellytys hyvän tasapainon saavuttamiselle lujuuden ja plastisuuden välillä.
(2) Vanhentamismenetelmät mahdollistavat lujuuden{1}}plastisuuden hallinnan. Kaksoisvanhentaminen liuoskäsittelyn jälkeen 1040 asteessa voi lisätä plastisuutta noin 30 % lujuudesta tinkimättä, mikä tekee siitä sopivan korkean -plastisuuden sovelluksiin. Päinvastoin, liuoskäsittely 980 asteessa indusoi neula-kaltaisten δ-Ni3Nb-faasien saostumisen raerajoja pitkin; tämä johtaa plastisuuden merkittävään heikkenemiseen sekä kerta- että kaksoisvanhentamisessa, ja siksi sitä suositellaan vain sovelluksiin, joissa keskilämpötila{11}}viruminen on hallitseva.
(3)Gradienttikomponentit vaativat "korkean-lämpötilojen homogenisoinnin, jota seuraa alhaisen-lämpötilan vanheneminen". IN718:lla rikastettu alue itsessään on runsaasti Nb- ja Mo-elementtejä, mikä edellyttää esikäsittelyä liuoskäsittelyssä, joka on suurempi tai yhtä suuri kuin 1040 astetta; muutoin myöhempi matalan-lämpötilojen vanheneminen muodostaa jatkuvan neula-kuten δ-Ni3Nb-vaiheverkon, mikä johtaa huoneen-sitkeyslujuuteen, joka on suurempi tai yhtä suuri kuin 40 %. Tämä käsittelyjakso voi toimia yleisenä suunnitteluperiaatteena samankaltaisten toiminnallisesti lajiteltujen materiaalien (FGM) selektiivisen lasersulatuksen (SLM) jälkeisessä lämpökäsittelyssä.
(4) Gradienttimateriaalien karakterisoinnin tulee noudattaa kolmi-vaiheista suljettua-silmukkaprosessia: Ensin suoritetaan makroskooppinen vetolujuuden esi-seulonta erien-to{5}}erojen tunnistamiseksi. toiseksi jännityskenttäjakaumakartat ε(x) piirretään käyttämällä full-field digital image correlation (DIC) -tekniikkaa, ja paikallisen jännitys-venymän (σ-ε) konstitutiiviset suhteet saadaan mikro/nano-mittakaavan mekaanisella testauksella; lopuksi konstitutiivinen gradienttimalli, johon on upotettu äärelliselementtianalyysi (FEA), kalibroidaan. Tämä varmennusketju voi erottaa kokonaisvasteen alueellisesti ratkaistuiksi suunnittelun sallituiksi arvoiksi, mikä mahdollistaa prosessin hienosäädön ja palvelun luotettavuuden arvioinnin.
