Verrattuna perinteiseen korkeaentropiseen CrMnFeCoNi-seokseen, 3D-painetulla hiiltä sisältävällä korkeaentropisella FeCoCrNiMn-lejeeringillä oli erinomainen virumisvastus korkeissa lämpötiloissa (eli virumisnopeus ja kynnysjännitys minimoitu). Inhan yliopisto ja Korean materiaalitieteen instituutti tutkivat ensimmäistä kertaa hiiltä sisältävien korkean entropiaan omaavien laserjauhepetifuusio (LPBF) -seosten korkean lämpötilan virumiskäyttäytymistä ja selittivät nanomittakaavan karbidien vaikutuksen virumiskestävyyteen.
Hiiltä sisältävä CrMnFeCoNi HEA (jäljempänä C-HEA) jauhe sisälsi 1,5 at % C ja keskimääräinen hiukkaskoko 23,7 μm. Laserjauhepetifuusion (LPBF) skannausnopeus on 600 mm/s, teho 90 W, skannausetäisyys 0,08 mm ja kerrospaksuus 0,025 mm. Osarakeiden stabiloimiseksi ja ylimääräisten nanomittakaavan karbidihiukkasten muodostamiseksi näytteitä lämpökäsiteltiin 650 asteessa tunnin ajan.
LPBF C-HEA:n korkean lämpötilan virumatesti suoritettiin jatkuvassa 175–325 MPa:n jännityksessä 873 K:n lämpötilassa (0,2 K:n lämpötilan stabiilius säilytettiin virumistestin aikana, koska kuvassa 1) ja näytteen virumistesti. Väli on 86,4 K. Virumisjännityksen stabiloimiseksi viruminen 259,2 ks:n testi suoritettiin 150 MPa:lla, mitä seurasi monivaiheinen virumistesti.
Kuvassa 2 on esitetty LPBF C-HEA:n SEM–EDS-spektri ja EBSD-analyysitulokset. LPBF C–HEA:n aineosien havaittiin jakautuneen tasaisesti jopa lämpökäsittelyn jälkeen, mikä viittaa siihen, että LPBF ja sitä seuraava lämpökäsittely eivät vaikuta mikronimittakaavan HEA:n koostumuksen tasaisuuteen. Kuvassa 2b on esitetty EBSD:n käänteinen napaluku (IPF) pienellä suurennuksella ja paljastaa, että lejeeringillä on kerrostettu ja epätasainen raerakenne. Lämpökäsittelyn jälkeen keskimääräinen raekoko (AGS) ei muuttunut merkittävästi ja oli samanlainen kuin valmiin C-HEA.Huomaa, että kuvan 2b EBSD-tulokset ja XRD-kuviot vahvistavat, että nykyisessä seoksessa on yksi FCC-vaihe.Suuri suurennos IPF-kartta osoittaa selvästi rosoiset raeraajat (GBs), mikä parantaa merkittävästi korkean lämpötilan virumista estämällä GB:n liukumista (kuva 2C 1). Geometrisesti välttämättömät dislokaatiot (GND:t) muodostavat rakeiden sisällä matalakulmaisia raerajaja (LAGB) (kuva 2C), ja lejeeringillä on edelleen erittäin korkea GND-tiheys 650 asteen lämpökäsittelyn jälkeen.
Sahalaitaisten raerajojen muodostuminen näkyy pääasiassa metallimateriaalien sisältämissä toisen faasin hiukkasissa, kuten nikkelipohjaisissa superseoksissa ja magnesiumseoksissa. Toisen faasin hiukkasten tarttumisvaikutuksesta raekasvun aikana johtuva rosoisten GB:ien muodostuminen on dokumentoitu hyvin. .Toisin sanoen lämpökäsittely johtaa jyvien kasvuun, ja toisen vaiheen hiukkaset estävät jyvien kasvua paikallisilla alueilla, mikä johtaa siksakiseen ulkonäköön Tässä tutkimuksessa käytetty ikääntymiskäsittely ei kuitenkaan aiheuttanut raekasvua, mikä viittaa siihen, että tämän seoksen erittäin rosoiset raeraajat johtuvat LPBF:n sulamis- ja jähmettymisvaiheista. Äskettäisessä raportissa 3D-painetut metallimateriaalit in situ -sateessa oli myös rosoisia GB. Huomaa, että erittäin rosoinen GB on nähty valmiissa C-HEA:ssa. Tämä viittaa siihen, että Kiinnitysvaikutus johtuu in situ -karbidien suuresta tiheydestä raerajoilla syklisen lämpökäsittelyn aikana, mikä johtaa erittäin rosoisiin raerajoihin.
Kuva 3a on ECC-kuva LPBF C–HEA:sta, joka osoittaa dislokaatioverkoston aiheuttamien alirakenteiden olemassaolon. Näiden alirakenteiden mitattu keskimääräinen leveys on 534,2 ± 16,3 nm. Aiemmat tutkimukset ovat osoittaneet, että alirakenne stabiloituu lisäksi muodostuvalla nanomittakaavan karbidilla. saostuu osittain uudelleen järjestetyillä dislokaatioilla. Kuva 3b osoittaa, että niitä on suuri määrä Epäsäännöllisen muotoisia nanokokoisia karbideja (valkoisia nuolia) alirakenteen rajoilla. HAADF STEM -kuvat ja vastaavat EELS-kartat hankittiin, jotta voidaan ymmärtää paremmin karbidien sisällä olevaa kemiallista heterogeenisyyttä, kuten kuvassa 3c näkyy. Nanokarbidit koostuvat pääasiassa Cr:sta ja C:stä, mikä osoittaa, että nämä karbidit sisältävät runsaasti Cr:a.
Kuten kuvasta 4 näkyy, näiden havaintojen tueksi termodynaamisesti lasketut tasapainofaasikaaviot LPBF C–HEA:n kemiallisesta koostumuksesta käyttäen Thermo–Calc-ohjelmistoa ja päivitettyä versiota TCFE2000-tietokannasta. Vaihekaavio osoittaa, että M23C6-tyyppiset karbidit muodostuvat pääasiassa lämpötila-alueella 500-1000 astetta, mikä osoittaa, että Cr23C6-faasi on tärkein LPBF C–HEA:n komponentti. Toisaalta kirjallisuudessa CoCrFeMnNi HEA:n Cr23C6-karbideja on usean mikronin mittakaavassa ja hiilipitoisuus on 1.3-1.8 at%. Sitä vastoin seos sisältää nanokokoisia karbideja jopa lämpökäsittelyn jälkeen, mikä viittaa siihen, että metastabiili alarakenne, jolla on suuri dislokaatioiden tiheys, hallitsee nanokokoisten karbidien muodostumista karbideja, joilla on tasainen jakautuminen. Samaan aikaan EELS-kartoissa havaittiin myös mangaanipitoisia oksideja, joiden kerrottiin koostuvan MnO:sta LPBF C–HEA:ssa. MnO-faasin vahvistava vaikutus on kuitenkin alhainen Cr23C6:een verrattuna; siksi karbideja pidetään tämän tutkimuksen pääasiallisina lujuuden tekijöinä.
Kuvassa 5a on esitetty nanooksideilla vahvistettujen LPBF O–HEA:n, LPBF C–HEA:n ja LPBF CrMnFeConi:n monitasoiset virumiskäyrät. Kaikilla virumisjännitysalueilla LPBF C–HEA osoitti alhaisempaa virumisjännitystä (eli korkeampi virumisvastus) kuin vertailumateriaalit (LPBF CrMnFeCoNi ja LPBF O–HEA). Lisäksi verrattuna LPBF CoCrFeMnNi:n, LPBF C–HEA:n virumistuloksiin. osoitti alhaisinta minimivirumisnopeutta kaikissa virumisjännityksissä Etenkin 225 MPa:n jännityksellä LPBF C–HEA:n vähimmäisvirumisnopeus on noin kaksi suuruusluokkaa pienempi kuin tavanomaisesti käsiteltyjen metalliseosten. Tämä tarkoittaa, että lämpökäsittely ei ainoastaan paranna huomattavasti huoneenlämpötilassa vallitsevaa mekaanista ominaisuudet, mutta myös parantaa korkean lämpötilan virumisenkestävyyttä lisäaineella valmistetussa HEA:ssa, joka sisältää nopean jähmettymisen aiheuttamaa ylikylläistä hiiltä. Yksivaiheisen virumisen mustat pisteet kuvassa 5b osoittavat monivaiheisen virumistestin hyvän luotettavuuden ja toistettavuuden.
Kuten kuvasta 6 näkyy, LPBF C-HEA:n korkean lämpötilan virumisen muodonmuutoskäyttäytymistä tutkittiin tutkimalla laajamittaista mikrorakennetta GND-jakaumakartan ja IPF-kartan avulla. Aikaisempi tutkimus tasaatomisten CrMnFeCoNi-HEA:iden virumiskäyttäytymisestä havaitsi jännityksen merkittävä lisääntyminen virumisen aikana 873 K:ssa, varsinkin kun kohdistettiin paljon rasitusta, mikä viittaa mikrorakenteelliseen evoluutio. Kuvan 6 IPF-kaavio osoittaa kuitenkin, että 7 %:n virumisvenymillä ei tapahtunut mikrorakenteellista kehitystä edes 325 MPa:n jännityksellä. Lisäksi, kuten kuvassa 7a esitetään, alirakenteita ei havaittu alkuperäisen näytteen EBSD-kartan havaittiin esiintyvän virumismikrorakenteessa. Tämä osoittaa, että ainutlaatuinen alkuperäinen mikrorakenne vaimentaa dislokaatioliikettä ja mikrorakenteen kehitystä ja johtaa LPBF C-HEA:n erinomaiseen virumisvastuskykyyn. Kuten mustat nuolet osoittavat kuvassa 6, joissakin tapauksissa havaittiin erittäin hienojakoisia rakeita, joiden koko oli ~2 μm. alueilla, joista keskustellaan myöhemmin.
Kuten kuvassa 7a, korkearesoluutioinen IPF-kartta virumisnäytteestä. Virumisen mikrorakenteessa havaitut erittäin rosoiset GB:t viittaavat siihen, että nanomittakaavan karbidit aiheuttavat vakavia GB rosoisuuksia virumismuodonmuutoksen aikana. Monissa FCC-pohjaisissa metallimateriaaleissa rosoiset GB:t estävät rakeita rajaliuku, mikä parantaa virumisvastusta korkeissa lämpötiloissa. Ilmoitti, että parantunut virumisvastus liittyi alhaisempaan kavitaationopeudet ja halkeamien eteneminen GB-hampaiden kautta. Austeniittisilla ruostumattomilla teräksillä rosoisten raerajojen muodostumismekanismi liittyy yleensä raerajojen ja karbidisaostumien väliseen vuorovaikutukseen: 1) raerajojen kulkeutuminen kiinnittyneiden rakeiden välillä ja 2) karbidin kasvun vaikutus. LPBF C-HEA ei osoittanut karbidien kasvua virumisen muodonmuutoksen jälkeen (kuvat 7c - d). Tästä syystä voidaan päätellä, että rosoisten raerajojen muodostuminen voi johtua kiinnittyneiden hiukkasten välisestä raerajojen siirtymisestä.
GND-profiili kuviossa 7b näyttää alijyvät virumisnäytteessä. Vaikka ECC-kuva (kuva 3a) osoittaa, että alkuperäisessä näytteessä on dislokaatioverkostoilla koristeltuja alirakenteita, alirakenteet eivät EBSD-havainnon perusteella ole erotettavissa. Sitä vastoin virumisnäytteet sisälsivät selvästi alijyviä, joilla oli korkea GND-tiheys, mikä viittaa siihen, että sijoiltaan sijoittui dislokaatioita. alusrakenteen rajoja sekä jyviä rajoja korkean lämpötilan virumisen aikana. Tämä osoittaa, että alusrakenne rajat voivat onnistuneesti estää dislokaatioliikkeen jopa korkean lämpötilan virumisen muodonmuutoksen aikana. Suuren suurennoksen ECC-kuvat tukevat voimakkaasti kertyneitä dislokaatioita rakeiden rajoilla (kuva 7c). Tässä HEA:n hilan kiinnittymis- ja dislokaatioliitosten mekanismi selittyy metsän dislokaatioiden ja tiivistetyn liuoksen kovettumisen yhteisvaikutuksella. Nykyisessä lejeeringissä on kuitenkin osajyvät, joilla on korkea GND-tiheys virumisen muodonmuutoksen jälkeen, mikä viittaa siihen, että LPBF:n virumismekanismi HEA-nanokomposiitit eroavat jonkin verran deformoituneesta HEA:sta. Seuraavaksi ECCI:tä käytettiin tutkimaan uudelleenkiteytettyjä ultrahienoja rakeita virumisnäytteissä (kuva 7d), joilla on alhainen sisäinen dislokaatiotiheys ja jotka ovat karbidien rajoittamia. Metallimateriaalien osalta Uudelleenkiteytymisen käyttövoima kasvaa vähitellen lämpötilan noustessa. Ottaen kuitenkin huomioon, että LPBF C-HEA synnyttää suuren määrän saostumista, mikä johtaa Zennerin kiinnityspaineeseen, uudelleenkiteytyminen vaimenee jopa korkeassa lämpötilassa. Siksi LPBF C-HEA ei käynyt läpi minkäänlaista mikrorakenteellista kehitystä, kuten talteenottoa ja uudelleenkiteytymistä. korkean lämpötilan virumismuodonmuutos 325 MPa:n jännityksen jälkeen. Vaikka uudelleenkiteytetty Joillakin alueilla havaittiin ultrahienoja rakeita, jotka rajoittivat nanometrin kokoisia karbideja, mikä esti raekasvun lisäämisen. ECCI:n ja EBSD:n suorittama virumismuodonmuutosrakenteen huolellinen tutkiminen johti siihen johtopäätökseen, että stabiilit osarakeet, joissa on dislokaatioverkosto ja nanokokoiset karbidit hidastaa palautumista ja uudelleenkiteytymistä virumisen muodonmuutoksen aikana samalla kun se vahvistaa edelleen dislokaatioverkoston aiheuttamaa alusrakennetta.
Yhteenveto:
Hiiltä sisältävän CrMnFeCoNi HEA:n additiivinen valmistusprosessi ja sitä seuraava lämpökäsittely johtavat paitsi heterorakennerakeiden muodostumiseen, joiden alirakenteet on koristeltu dislokaatioverkostoilla, vaan myös tasaisesti jakautuneiden karbidien muodostumiseen rae- ja osaraerajoilla.
LPBF C-HEA:n korkean lämpötilan virumisenkestävyys on parempi kuin raportoitujen korkean entropian CrMnFeCoNi-seosten. C-HEA:n ryömintänopeus on kaksi suuruusluokkaa pienempi kuin perinteisesti prosessoidun HEA:n.
Mikrorakenteelliset havainnot vahvistavat, että vakaat osajyvät aiheuttavat erittäin rosoisten raerajojen muodostumista, mikä edelleen vahvistaa osajyviä ja estää uudelleenkiteytymistä korkean lämpötilan virumisen aikana, mikä johtaa erinomaiseen virumisvastussukupuoleen.
Avainsanat: Lisäainetutkimus, Metallin lisäainevalmistus, Mana-materiaalit, Metallin 3D-tulostus
