В сравнение с насоченото енергийно отлагане, селективното лазерно топене е по-слабо проучено за производството на функционално класифицирани материали и прозорецът за последваща{0}}обработка остава неясен.
Нашите изследователи използваха технологията SLM, за да подготвят 316L/IN718 функционално класифицирани материали и систематично оцениха ефектите от представителните процеси на термична обработка върху фазовото развитие и свойствата на опън
1.SLM подготовка на 316L/IN718 функционално градирани материали
2. Процес на топлинна обработка
Въз основа на анализа на горната фигура е проектирана схема за градиентна топлинна обработка. Бяха избрани две температури на разтвора: 980 градуса (под температурата на разтвора) и 1040 градуса (над температурата на разтвора), комбинирани с две стратегии за стареене: единично стареене при 720 градуса и двойно стареене при 720 градуса + 620 градуса. Въз основа на това бяха създадени пет групи контролни експерименти:
AD група (депозирано състояние): поддържа се в първоначалното си състояние на подготовка;
HT1 група: 1040 градуса обработка с разтвор за 1 час (закаляване с вода) + 720 степен еднократно стареене за 8 часа (въздушно охлаждане);
HT2 група: третиране с разтвор при 1040 градуса за 1 час (закаляване с вода) + 720 градуса стареене за 8 часа, последвано от 620 градуса стареене за 8 часа (охлаждане в пещ);
HT3 група: третиране с разтвор на 980 градуса за 1 час (закаляване с вода) + 720 степен еднократно стареене за 8 часа (въздушно охлаждане);
HT4 група: третиране с разтвор на 980 градуса за 1 час (закаляване с вода) + 720 градуса стареене за 8 часа, последвано от 620 градуса стареене за 8 часа (охлаждане в пещта).
3.Фазова трансформация след термична обработка
Пет комплекта дифракционни рентгенови лъчи (XRD) в равнината Y-Z при различни условия на топлинна обработка, с тестови зони, покриващи: регион 1 (съдържание на IN718 70-100%), регион 2 (съдържание на IN718 40-70%) и регион 3 (съдържание на IN718 0-30%).
Пиковите интензитети на дифракция при петте условия на термична обработка не показват значителни разлики; отражението на Брег на аустенитната фаза-особено силните (111) и (200) пикове на лицево{3}}кубичната (FCC) структура-доминираха в дифракционния модел.
В пробата, третирана с HT1- от регион 1, интензитетите на пикове (111) и (220) са по-високи от тези на отложеното състояние (AD). В допълнение, всички топлинно обработени групи показаха дифракционен пик (311), което показва, че след топлинна обработка се образува допълнителна усилваща фаза.
При условия на HT1 дифракционните пикове в област 2 са по-широки и имат по-нисък интензитет, което предполага, че фазовата стабилност в тази област е по-слаба.
В регион 3, интензитетът на пика (111) в пробата, третирана с HT3-, беше значително повишен. Трябва да се отбележи, че ' и " фазите на укрепване бяха открити в XRD образеца на област 1. Бързото охлаждане по време на подготовката на SLM с висока пропускателна способност не води до утаяване на " и " фази, докато термичната обработка осигурява достатъчно време за утаяването на тези фази на укрепване, което обяснява увеличаването на интензитета на (200) и (220) пиковете на кристалната равнина и появата на (311) пик след нагряване лечение.
След термична обработка с НТ2 и НТ4, (311) дифракционни пикове на ' и " фазите също бяха открити в XRD моделите. Въпреки това, в сравнение с (311) дифракционните пикове след третиране с разтвор и единично стареене, дифракционните пикове след двойно стареене бяха по-интензивни, което показва, че процесът на двойно стареене допълнително насърчава образуването на " и " укрепващите фази. Интензитетът на дифракционните пикове на усилващата фаза беше особено значителен при условието на третиране с НТ2, което показва, че тази топлинна обработка насърчава утаяването на повече ' и " фази. Ефектът на утаяване на фазата на усилване се очаква да има положително въздействие върху механичните свойства на третираното с НТ2 състояние. Кристалната ориентация на главния пик (111) обаче не се променя значително, което показва, че топлинната обработка не променя предпочитаната ориентация на функционално градирания материал 316L/IN718.
4. Микроструктура след термична обработка
При условия на отлагане (AD) съществуват дълго{0}}верижни фази на Лавес в регион 1. Поради високото съдържание на IN718 в този регион, голямо количество богата на Nb- фаза се утаява в междузърнестия регион със състав (Ni, Fe, Cr)2(Nb, Mo, Ti). При лечение с HT1 по-голямата част от фазата на Laves претърпява разтваряне и фрактура, а остатъчната фаза се трансформира в гранулирана морфология. При третиране с HT3 фазата на Laves също се трансформира в гранулирана форма чрез процес на разтваряне, придружен от утаяване на иглообразни/пръчковидни-подобни δ-Ni3Nb фази. Това показва, че както HT1, така и HT3 проби предизвикват дифузионна сегрегация на елементи (Ni, Nb, C, Mo) в регион 1, явление, съответстващо на резултатите от-in situ измервания на статистическото разпределение на метали в отлагателни и топлинно{18}}обработени проби с помощта на рентгенова-флуоресценция на микролъчи с висока{19}}резолюция спектроскопия.
Резултатите от многомащабния анализ потвърждават, че чрез контролиране на разтворимостта на фазата на Laves чрез температурата на разтвора и контролиране на морфологията на фазата δ-Ni3Nb през времето на стареене, може да се постигне синергично оптимизиране на якостта и пластичността на градиентните материали. Това осигурява ръководни принципи за инженеринг на ключови фази за разработването на нови процеси за топлинна обработка с градиент.
Еволюцията на микроструктурата на регион 3 при различни режими на термична обработка разкрива кинетиката на фазовата трансформация, задвижвана от ефекта на свързване на композиционния градиент и термичната история. Обобщен е механизмът за еволюция на микроструктурата в кръстосания мащаб на този регион и е установен корелационният механизъм между термичната обработка, инженерството на границите на зърната и механичните свойства. При условия на отлагане (AD), доминиращият регион 316L- (Cr/Ni=1.82) следва двуфазов път на втвърдяване на ферит-аустенит (FA), образувайки клетъчна дендритна структура. След термична обработка HT1 съотношението Cr/Ni намалява до 1,35. Тази композиционна трансформация насърчава пътя на втвърдяване от феритна-аустенитна двойна-фаза до напълно аустенитна едно-фазова структура, като значително намалява съдържанието на интердендритен ферит. Фазовата идентификация потвърждава тази трансформация: FCC фазата е -аустенитна матрица, BCC фазата е δ-ферит, а Ni3Al съответства на фазата на утаяване. Област 3 е доминирана от аустенит, съдържащ малко количество диспергиран ферит. Обемните фракции на ферита, измерени чрез количествен анализ на изображението, бяха съответно 3,5% (AD), 0,7% (HT1), 0,2% (HT2), 1,5% (HT3) и 0,8% (HT4), което потвърждава, че съдържанието на ферит във всички топлинно-обработени състояния е по-ниско от това в отложено състояние.
Излагането на топлина след{0}}отлагането насърчава статичната рекристализация, което води до загрубяване на зърната и значително намаляване на разстоянието между дендритите. Синергичният ефект на композиционния градиент също е значителен: по посока на формиране (съдържание на IN718, нарастващо от 0 до 100 тегл.%), намаляващата локална скорост на охлаждане предизвиква постепенно загрубяване на дендритните рамена. Депозираната проба в регион 3 се характеризира с фини равноосни зърна, с дори по-малки размери на зърната (~8,4 μm) на дъното на басейна за стопилка поради лазерно претопяване. За разлика от това, топлинно{9}}обработените проби показват по-равномерно разпределение на размера на зърната, но в регион 3 след топлинна обработка се получава загрубяване на зърната-средните размери на зърната на пробите HT1 и HT3 са съответно 10,40 μm и 11,64 μm. Това загрубяване се дължи главно на синергичния ефект на натрупване на топлина и скорост на охлаждане: регион 3 е разположен в долната част на градиентния материал, което води до по-малко натрупване на топлина по време на високо-енергийния SLM процес и по-фини първоначални зърна; докато бавният процес на охлаждане след топлинна обработка на отлагането осигурява достатъчно време за растеж на зърното. В допълнение, пробата съдържа непрекъснати колонни кристали, които проникват в множество слоеве. Поради характеристиките на бързо насочено втвърдяване на SLM процеса, посоката на растеж на зърното обикновено е в съответствие с посоката на максималния температурен градиент (т.е. перпендикулярно на дъното на басейна с разтопена течност).
Третирането с разтвор значително намалява здравината на текстурата и подобрява еднородността, като HT2 показва най-значимия ефект: третирането с разтвор от 1040 градуса, комбинирано с двойно стареене, предизвиква образуване на граници на субзърната, увеличавайки дела на границите на зърната с малък{2}}ъгъл (LAGBs) до 39,1% (най-високата сред всички термични обработки). Това значително подобрява много-способността за координирана деформация на градиентната структура и насърчава изотропното поведение.
Термичната обработка след -разтвора значително намалява остатъчното напрежение и насърчава значително разтваряне на фазата на Laves (степента на разтваряне нараства монотонно с температурата на разтвора); SLM с висока-производителност по своята същност пречиства отложената микроструктура поради високата скорост на охлаждане, но последващата топлинна обработка предизвиква значително нагрубяване на зърната. Трябва да се отбележи, че малко количество δ-Ni3Nb фаза остава след третиране с разтвор при 980 градуса, което показва, че тази температура е под линията на δ-Ni3Nb фаза разтвор.
5. Свойства на опън
Счупването на опън беше почти изцяло концентрирано в композиционната преходна зона между областите 30% IN718 + 70% 316L и 40% IN718 + 60% 316L, където елементарната сегрегация беше най-изразена. Единственото изключение се случи в състояние на топлинна -обработка на HT2, където счупването започна в областта 50% 316L + 50% IN718 и беше придружено от значително образуване на шийка. Тези констатации показват количествено, че вариациите на композиционния градиент доминират-носещата способност на 316L/IN718 функционално градирани материали (FGM).
Когато температурата на разтвора е 1040 градуса, здравината и пластичността на материала се подобряват. При обработка с еднократно стареене, процесът HT1 значително подобрява здравината на 316L/IN718 функционално градирани материали (FGM) по-добре от HT2, с укрепващ ефект от 6,58%. Пробата, обработена с HT2, показва най-значително увеличение на удължението при температура на разтвора от 1040 градуса, с увеличение от приблизително 62,99%.Тези резултати показват, че при температура на разтвора от 1040 градуса еднократното стареене е по-благоприятно за подобряване на якостта, докато двойното стареене е по-благоприятно за подобряване на пластичността.
Когато температурата на обработка на разтвора падне до 980 градуса, якостта на материала се увеличава (по-висока при двойно стареене и по-добра при еднократно стареене), но пластичността намалява в сравнение с отложеното състояние.Комбинираното подобрение на здравината и пластичността показва, че HT2 е оптималната топлинна обработка за 316L/IN718 функционално градирани материали.
6.в заключение
(1) Температурата на разтвора доминира в пътя на фазовото развитие, докато ефектът от стареенето е незначителен. Температура на разтвора, по-голяма или равна на 1040 градуса, може значително да разтвори фазата на Laves и да инхибира образуването на фазата δ-Ni3Nb, като по този начин освобождава Nb елементи за последващото утаяване на ″/′ укрепващата фаза, осигурявайки необходимата предпоставка за получаване на добър баланс между якост и пластичност.
(2) Методите за стареене позволяват контрол на якост-пластичността. Двойното стареене след третиране с разтвор при 1040 градуса може да увеличи пластичността с приблизително 30%, без да се жертва здравината, което го прави подходящ за приложения с висока -пластичност. Обратно, обработката на разтвора при 980 градуса предизвиква утаяване на игловидни-като δ-Ni3Nb фази по протежение на границите на зърната; това води до значително намаляване на пластичността както при еднократно, така и при двойно стареене и следователно се препоръчва само за приложения, при които доминира пълзенето при средна{11}}температура.
(3) Компонентите с градиент изискват стратегия за „хомогенизиране при висока-температура, последвано от стареене при ниска-температура. Самият регион, обогатен с IN718, е богат на Nb и Mo елементи, което налага предварително-третиране с разтвор при По-голяма или равна на 1040 градуса; в противен случай последващото стареене при ниска-температура ще образува непрекъсната игла-като δ-Ni3Nb фазова мрежа, което води до загуба на издръжливост при стайна-температура от По-голяма или равна на 40%. Тази последователност на обработка може да служи като общ принцип на проектиране за топлинна обработка след селективно лазерно топене (SLM) на подобни функционално класифицирани материали (FGM).
(4)Охарактеризирането на градиентните материали трябва да следва три-етапен затворен-процес: Първо се извършва макроскопски предварителен{3}}скрининг на опън, за да се идентифицират разликите--от партида; второ, картите на разпределение на полето на деформация ε(x) се начертават с помощта на технология за пълна -полева дигитална корелация на изображението (DIC), а конститутивните отношения на локално напрежение-напрежение (σ-ε) се получават чрез микро/нано-мащабно механично изпитване; накрая градиентният конститутивен модел, вграден с анализ на крайните елементи (FEA), се калибрира. Тази верига за проверка може да отдели цялостния отговор в пространствено разрешени проектни допустими стойности, като по този начин позволява фина{11}}настройка на процеса и оценка на надеждността на услугата.
