Meta mqabbel mad-depożizzjoni tal-enerġija direzzjonali, it-tidwib selettiv bil-lejżer ġie studjat inqas għall-fabbrikazzjoni ta 'materjali gradati b'mod funzjonali, u t-tieqa ta' wara-ipproċessar għadha mhux ċara.
Ir-riċerkaturi tagħna użaw it-teknoloġija SLM biex jippreparaw materjali iggradati b'mod funzjonali 316L/IN718 u evalwaw b'mod sistematiku l-effetti ta 'proċessi rappreżentattivi ta' trattament bis-sħana fuq l-evoluzzjoni tal-fażi u l-proprjetajiet tat-tensjoni.
1.Preparazzjoni SLM ta 'materjali 316L/IN718 gradati b'mod funzjonali
2.Proċess ta 'trattament tas-sħana
Ibbażat fuq l-analiżi tal-figura ta 'hawn fuq, ġiet iddisinjata skema ta' trattament tas-sħana gradjent. Ġew magħżula żewġ temperaturi tas-soluzzjoni: 980 grad (taħt it-temperatura tas-soluzzjoni) u 1040 grad (fuq it-temperatura tas-soluzzjoni), flimkien ma 'żewġ strateġiji ta' tixjiħ: tixjiħ wieħed f'720 grad u tixjiħ doppju f'720 grad + 620 grad . Abbażi ta’ dan, ġew stabbiliti ħames settijiet ta’ esperimenti ta’ kontroll:
Grupp AD (stat depożitat): miżmum fl-istat ta 'preparazzjoni oriġinali tiegħu;
Grupp HT1: trattament ta 'soluzzjoni ta' 1040 grad għal siegħa (tifi ta 'l-ilma) + 720 grad wieħed ta' tixjiħ għal 8 sigħat (tkessiħ bl-arja);
Grupp HT2: trattament ta 'soluzzjoni ta' 1040 grad għal siegħa (tifi ta 'l-ilma) + 720 grad ta' tixjiħ għal 8 sigħat segwit minn 620 grad ta 'tixjiħ għal 8 sigħat (tkessiħ tal-forn);
Grupp HT3: trattament ta 'soluzzjoni ta' 980 grad għal siegħa (tifi ta 'l-ilma) + 720 grad wieħed ta' tixjiħ għal 8 sigħat (tkessiħ bl-arja);
Grupp HT4: Trattament ta 'soluzzjoni ta' 980 grad għal siegħa (tifi ta 'l-ilma) + 720 grad ta' tixjiħ għal 8 sigħat segwit minn 620 grad ta 'tixjiħ għal 8 sigħat (tkessiħ tal-forn).
3.Trasformazzjoni tal-fażi wara t-trattament bis-sħana
Ħames settijiet ta 'mudelli ta' diffrazzjoni tar-raġġi X (XRD) fil-pjan Y-Z taħt kundizzjonijiet ta 'trattament tas-sħana differenti, b'żoni tat-test li jkopru: reġjun 1 (kontenut IN718 70-100%), reġjun 2 (kontenut IN718 40-70%), u reġjun 3 (kontenut IN718 0-30%).
L-intensitajiet massimi tad-diffrazzjoni taħt il-ħames kundizzjonijiet tat-trattament tas-sħana ma wrewx differenzi sinifikanti; ir-riflessjoni ta' Bragg tal-fażi awstenitika-speċjalment il-qċaċet qawwija (111) u (200) tal-istruttura kubika ċċentrata (FCC) tal-wiċċ--iddominaw il-mudell tad-diffrazzjoni.
Fil-kampjun HT1-trattat mir-reġjun 1, l-intensitajiet tal-qċaċet (111) u (220) kienu ogħla minn dawk tal-istat depożitat (AD). Barra minn hekk, il-gruppi kollha ttrattati bis-sħana wrew quċċata ta 'diffrazzjoni (311), li jindika li fażi addizzjonali ta' rinfurzar ġiet iffurmata wara t-trattament bis-sħana.
Taħt kundizzjonijiet HT1, il-qċaċet tad-diffrazzjoni fir-reġjun 2 huma usa 'u għandhom intensità aktar baxxa, li jissuġġerixxu li l-istabbiltà tal-fażi f'dan ir-reġjun hija aktar dgħajfa.
Fir-reġjun 3, l-intensità tal-quċċata (111) fil-kampjun trattat HT3-ssaħħaħ b'mod sinifikanti. Notevolment, " u " fażijiet tisħiħ ġew skoperti fil-mudell XRD tar-reġjun 1. Tkessiħ rapidu matul preparazzjoni SLM high-throughput ma jwassalx għall-preċipitazzjoni ta '" u "fażijiet, filwaqt li t-trattament bis-sħana jipprovdi żmien biżżejjed għall-preċipitazzjoni ta' dawn il-fażijiet ta 'tisħiħ, li jispjega ż-żieda fl-intensità tal-(200) u (220) il-pjan ta' trattament tas-sħana tal-kristall (200) u (220) wara l-quċċata tal-pjan ta 'trattament tas-sħana.
Wara trattament bis-sħana b'HT2 u HT4, (311) qċaċet tad-diffrazzjoni tal-fażijiet " u " ġew skoperti wkoll fil-mudelli XRD. Madankollu, meta mqabbla mal-qċaċet tad-diffrazzjoni (311) wara t-trattament tas-soluzzjoni u tixjiħ wieħed, il-qċaċet tad-diffrazzjoni wara tixjiħ doppju kienu aktar intensi, li jindika li l-proċess ta 'tixjiħ doppju " u promoss aktar il-formazzjoni tal-fażi ta' tisħiħ ". L-intensità tal-qċaċet tad-diffrazzjoni tal-fażi tat-tisħiħ kienet partikolarment sinifikanti taħt il-kundizzjoni tat-trattament HT2, li tindika li dan it-trattament bis-sħana ippromwova l-preċipitazzjoni ta 'aktar ' u " fażijiet. L-effett ta 'preċipitazzjoni tal-fażi ta' tisħiħ huwa mistenni li jkollu impatt pożittiv fuq il-proprjetajiet mekkaniċi tal-istat ittrattat HT2. Madankollu, l-orjentazzjoni tal-kristall tal-quċċata prinċipali (111) ma tbiddilx l-orjentazzjoni tas-sħana prinċipali (111) ippreferiet li l-orjentazzjoni tas-sħana ma tbiddilx b'mod sinifikanti (111). tal-materjal 316L/IN718 gradat funzjonalment.
4.Microstructure wara trattament bis-sħana
Taħt kundizzjonijiet depożizzjonali (AD), jeżistu fażijiet ta' Laves -katina twila fir-reġjun 1. Minħabba l-kontenut għoli ta 'IN718 f'dan ir-reġjun, ammont kbir ta' Nb-fażi sinjuri jippreċipita fir-reġjun intergranulari, b'kompożizzjoni ta '(Ni, Fe, Cr)2 (Nb, Mo, Ti). Taħt it-trattament HT1, ħafna mill-fażi ta 'Laves tgħaddi minn xoljiment u ksur, u l-fażi residwa tittrasforma f'morfoloġija granulari. Fit-trattament HT3, il-fażi ta' Laves tittrasforma wkoll f'forma granulari permezz ta' proċess ta' dissoluzzjoni, akkumpanjata mill-preċipitazzjoni ta' fażijiet δ-Ni3Nb bħal labra/virga. Dan jindika li ż-żewġ kampjuni HT1 u HT3 indoxxew segregazzjoni ta' diffużjoni ta' elementi (Ni, Nb, C, Mo) fir-reġjun 1, fenomenu konsistenti mar-riżultati ta' kejl ta' distribuzzjoni statistika in-situ ta' metalli f'kampjuni depożizzjonali u ttrattati- bis-sħana bl-użu ta'-reżoluzzjoni għolja ta 'mikroskopija ta' fluorescence}Xray{20}spett.
Riżultati ta 'analiżi multiscale jikkonfermaw li billi tikkontrolla s-solubilità tal-fażi Laves permezz tat-temperatura tas-soluzzjoni u tikkontrolla l-morfoloġija tal-fażi δ-Ni3Nb matul il-ħin tat-tixjiħ, tista' tinkiseb l-ottimizzazzjoni sinerġistika tas-saħħa u l-plastiċità tal-materjali tal-gradjent. Dan jipprovdi prinċipji ewlenin ta 'gwida tal-inġinerija tal-fażi għall-iżvilupp ta' proċessi ġodda ta 'trattament tas-sħana gradjent.
L-evoluzzjoni tal-mikrostruttura tar-Reġjun 3 taħt reġimi ta 'trattament tas-sħana differenti tiżvela l-kinetika tat-trasformazzjoni tal-fażi mmexxija mill-effett tal-akkoppjar tal-gradjent tal-kompożizzjoni u l-istorja termali. Il-mekkaniżmu ta 'evoluzzjoni tal-mikrostruttura fuq skala trasversali ta' dan ir-reġjun huwa mqassar, u l-mekkaniżmu ta 'korrelazzjoni bejn it-trattament tas-sħana, l-inġinerija tal-konfini tal-qamħ, u l-proprjetajiet mekkaniċi huwa stabbilit. Taħt kundizzjonijiet depożizzjonali (AD), ir-reġjun dominanti 316L-(Cr/Ni=1.82) isegwi mogħdija ta' solidifikazzjoni tal--fażi doppja tal-ferrite-austenite (FA), li tifforma struttura dendritika ċellulari. Wara t-trattament bis-sħana HT1, il-proporzjon Cr/Ni jonqos għal 1.35. Din it-trasformazzjoni tal-kompożizzjoni tippromwovi l-mogħdija tas-solidifikazzjoni minn fażi doppja tal-ferrite-austenite-għal struttura ta' fażi waħda-awstenitika kompletament, u tnaqqas b'mod sinifikanti l-kontenut tal-ferrite interdendritika. L-identifikazzjoni tal-fażi tikkonferma din it-trasformazzjoni: il-fażi FCC hija matriċi -austenite, il-fażi BCC hija δ-ferrite, u Ni3Al jikkorrispondi għall-' fażi preċipitata. Ir-reġjun 3 huwa ddominat minn austenite, li fih ammont żgħir ta 'ferrite mxerrda. Il-frazzjonijiet tal-volum tal-ferrite mkejla b'analiżi kwantitattiva tal-immaġni kienu 3.5% (AD), 0.7% (HT1), 0.2% (HT2), 1.5% (HT3), u 0.8% (HT4), rispettivament, u jikkonfermaw li l-kontenut tal-ferrite fl-istati kollha ttrattati bis-sħana kien inqas minn dak fl-istat depożitat.
L-espożizzjoni tas-sħana ta' wara-depożizzjoni tippromwovi rikristallizzazzjoni statika, li twassal għall-ħxuna tal-qamħ u tnaqqis sinifikanti fl-ispazjar tad-dendriti. L-effett sinerġistiku tal-gradjent tal-kompożizzjoni huwa wkoll sinifikanti: tul id-direzzjoni tal-iffurmar (kontenut IN718 jiżdied minn 0 sa 100 wt%), ir-rata ta 'tkessiħ lokali li qed tonqos tinduċi coarsening gradwali tal-armi tad-dendrite. Il-kampjun iddepożitat fir-reġjun 3 huwa kkaratterizzat minn ħbub ekwiassi fini, b'daqsijiet tal-qamħ saħansitra iżgħar (~ 8.4 μm) fil-qiegħ tal-pool tat-tidwib minħabba t-tidwib mill-ġdid tal-lejżer. B'kuntrast, il-kampjuni ttrattati bis-sħana juru distribuzzjoni tad-daqs tal-qamħa aktar uniformi, iżda l-ħxuna tal-qamħ iseħħ fir-reġjun 3 wara t-trattament bis-sħana-id-daqsijiet medji tal-qamħ tal-kampjuni HT1 u HT3 huma 10.40 μm u 11.64 μm, rispettivament. Dan coarsening huwa prinċipalment attribwit għall-effett sinerġistiku tal-akkumulazzjoni tas-sħana u r-rata tat-tkessiħ: ir-reġjun 3 jinsab fil-qiegħ tal-materjal tal-gradjent, li jirriżulta f'inqas akkumulazzjoni tas-sħana matul il-proċess SLM ta '-enerġija għolja u ħbub inizjali ifjen; filwaqt li l-proċess ta 'tkessiħ bil-mod wara t-trattament bis-sħana tad-depożizzjoni jipprovdi żmien biżżejjed għat-tkabbir tal-qamħ. Barra minn hekk, il-kampjun fih kristalli kolonni kontinwi li jippenetraw saffi multipli. Minħabba l-karatteristiċi ta 'solidifikazzjoni direzzjonali mgħaġġla tal-proċess SLM, id-direzzjoni tat-tkabbir tal-qamħ hija ġeneralment konsistenti mad-direzzjoni tal-gradjent tat-temperatura massima (jiġifieri, perpendikolari mal-qiegħ tal-pool imdewweb).
It-trattament tas-soluzzjoni jnaqqas b'mod sinifikanti s-saħħa tan-nisġa u jtejjeb l-uniformità, b'HT2 li juri l-aktar effett sinifikanti: trattament ta 'soluzzjoni ta' 1040 grad flimkien ma 'tixjiħ doppju jinduċi formazzjoni ta' konfini subgrain, u jżid il-proporzjon ta 'konfini ta' qamħ -angolu żgħir (LAGBs) għal 39.1% (l-ogħla fost it-trattamenti kollha tas-sħana). Dan itejjeb ħafna l-kapaċità ta' deformazzjoni kkoordinata fuq multi-skala tal-istruttura tal-gradjent u jippromwovi mġiba iżotropika.
It-trattament tas-sħana ta' wara-soluzzjoni jnaqqas b'mod sinifikanti l-istress residwu u jippromwovi x-xoljiment sostanzjali tal-fażi ta' Laves (il-grad ta' dissoluzzjoni jiżdied b'mod monotoniku mat-temperatura tas-soluzzjoni); high-throughput SLM intrinsikament jirfina l-mikrostruttura depożitata minħabba r-rata għolja tat-tkessiħ tagħha, iżda t-trattament tas-sħana sussegwenti jinduċi qawwi sinifikanti tal-qamħ. Notevolment, ammont żgħir ta 'fażi δ-Ni3Nb jibqa' wara t-trattament tas-soluzzjoni f'980 grad, li jindika li din it-temperatura hija taħt il-linja tas-soluzzjoni tal-fażi δ{-Ni3Nb.
5.Tensile proprjetajiet
Ksur tat-tensjoni kien ikkonċentrat kważi għal kollox fiż-żona ta 'tranżizzjoni tal-kompożizzjoni bejn ir-reġjuni ta' 30% IN718 + 70% 316L u 40% IN718 + 60% 316L, fejn is-segregazzjoni elementali kienet l-aktar evidenti. L-unika eċċezzjoni seħħet fl-istat HT2 ittrattat bis-sħana, fejn il-ksur beda fir-reġjun 50% 316L + 50% IN718 u kien akkumpanjat minn necking sinifikanti. Dawn is-sejbiet juru b'mod kwantitattiv li l-varjazzjonijiet tal-gradjent tal-kompożizzjoni jiddominaw il-kapaċità ta' ġarr ta' tagħbija-ta' 316L/IN718 materjali gradati b'mod funzjonali (FGMs).
Meta t-temperatura tas-soluzzjoni hija 1040 grad, kemm is-saħħa kif ukoll il-plastiċità tal-materjal huma mtejba. Taħt trattament ta 'tixjiħ wieħed, il-proċess HT1 itejjeb b'mod sinifikanti s-saħħa ta' materjali iggradati b'mod funzjonali (FGMs) 316L/IN718 aħjar minn HT2, b'effett ta 'tisħiħ ta' 6.58%. Il-kampjun trattat b'HT2 wera l-aktar żieda sinifikanti fit-titwil fit-temperatura tas-soluzzjoni ta '1040 grad, b'żieda ta' madwar 62.99%.Dawn ir-riżultati jindikaw li fit-temperatura tas-soluzzjoni ta '1040 grad, tixjiħ wieħed huwa aktar li jwassal għal titjib tas-saħħa, filwaqt li tixjiħ doppju huwa aktar li jwassal għal titjib tal-plastiċità.
Meta t-temperatura tat-trattament tas-soluzzjoni tinżel għal 980 grad, is-saħħa tal-materjal tiżdied (ogħla bi tixjiħ doppju u aħjar bi tixjiħ wieħed), iżda l-plastiċità tonqos meta mqabbla mal-istat depożitat.It-titjib magħqud fis-saħħa u l-plastiċità jindika li HT2 huwa l-aħjar trattament tas-sħana għal materjali 316L/IN718 gradati b'mod funzjonali.
6.bħala konklużjoni
(1) It-temperatura tas-soluzzjoni tiddomina l-mogħdija tal-evoluzzjoni tal-fażi, filwaqt li l-effett tat-tixjiħ huwa negliġibbli. Temperatura ta 'soluzzjoni akbar minn jew ugwali għal 1040 grad tista' tinħall b'mod sinifikanti l-fażi ta 'Laves u tinibixxi l-formazzjoni tal-fażi δ-Ni3Nb, u b'hekk tirrilaxxa elementi Nb għall-preċipitazzjoni sussegwenti tal-fażi ta' tisħiħ ″/ ′, li tipprovdi prerekwiżit meħtieġ biex jinkiseb bilanċ tajjeb bejn is-saħħa u l-plastiċità.
(2)Il-metodi tat-tixjiħ jippermettu l-kontroll tal--plastiċità. Tixjiħ doppju wara t-trattament tas-soluzzjoni f'1040 grad jista 'jżid il-plastiċità b'madwar 30% mingħajr ma tiġi sagrifikata s-saħħa, u tagħmilha adattata għal applikazzjonijiet ta' plastiċità għolja-. Bil-maqlub, it-trattament tas-soluzzjoni f'980 grad jinduċi l-preċipitazzjoni tal-fażijiet tal-labra-bħal δ-Ni3Nb tul il-konfini tal-qamħ; dan iwassal għal tnaqqis sinifikanti fil-plastiċità kemm taħt tixjiħ singolu kif ukoll doppju, u għalhekk huwa rakkomandat biss għal applikazzjonijiet fejn il-crep-temperatura medja hija dominanti.
(3)Il-komponenti tal-gradjent jeħtieġu strateġija ta' "-omoġenizzazzjoni f'temperatura għolja segwita minn strateġija ta' tixjiħ b'-temperatura baxxa". Ir-reġjun arrikkit IN718 innifsu huwa għani fl-elementi Nb u Mo, li jeħtieġ trattament minn qabel -soluzzjoni f'Ikbar minn jew ugwali għal 1040 grad; inkella, it-tixjiħ sussegwenti b'-temperatura baxxa se jifforma labra kontinwa-bħal netwerk ta' fażi δ-Ni3Nb, li jirriżulta f'telf ta' toughness fit-temperatura tal-kamra- ta' Akbar minn jew ugwali għal 40%. Din is-sekwenza ta' trattament tista' sservi bħala prinċipju ġenerali ta' disinn għat-trattament bis-sħana wara tidwib selettiv bil-lejżer (SLM) ta' materjali simili b'grad funzjonali (FGMs).
(4)Il-karatterizzazzjoni tal-materjali tal-gradjent għandha ssegwi proċess ta' ċirku ta' tliet-stadji-magħluq: L-ewwel, jitwettaq skrinjar makroskopiku tat-tensjoni pre- biex jiġu identifikati d-differenzi minn lott-għa-; it-tieni, il-mapep tad-distribuzzjoni tal-kamp tar-razza ε(x) jiġu plottjati bl-użu tat-teknoloġija tal-korrelazzjoni tal-immaġni diġitali (DIC) full-field, u relazzjonijiet kostituttivi tal-istress-strain (σ-ε) lokali jinkisbu permezz ta' ttestjar mekkaniku fuq skala mikro/nano-; finalment, il-mudell kostituttiv tal-gradjent inkorporat b'analiżi ta 'elementi finiti (FEA) huwa kkalibrat. Din il-katina ta' verifika tista' tiddiżakkoppja r-rispons ġenerali f'valuri permissibbli tad-disinn riżolti spazjalment, u b'hekk tippermetti l-irfinar-tal-proċess u l-valutazzjoni tal-affidabbiltà tas-servizz.
