Jämfört med riktad energiavsättning har selektiv lasersmältning studerats mindre för tillverkning av funktionellt graderade material, och efter-bearbetningsfönstret är fortfarande oklart.
Våra forskare använde SLM-teknik för att framställa 316L/IN718 funktionellt graderade material och utvärderade systematiskt effekterna av representativa värmebehandlingsprocesser på fasutveckling och dragegenskaper
1.SLM-beredning av 316L/IN718 funktionsgraderade material
2. Värmebehandlingsprocessen
Baserat på analysen av ovanstående figur utformades ett gradientvärmebehandlingsschema. Två lösningstemperaturer valdes: 980 grader (under lösningstemperaturen) och 1040 grader (över lösningstemperaturen), kombinerat med två åldringsstrategier: enkel åldring vid 720 grader och dubbel åldring vid 720 grader + 620 grader . Baserat på detta sattes fem uppsättningar kontrollexperiment upp:
AD-grupp (avsatt tillstånd): bibehålls i sitt ursprungliga beredningstillstånd;
HT1-grupp: 1040 graders lösningsbehandling i 1 timme (vattenkylning) + 720 graders enkel åldring i 8 timmar (luftkylning);
HT2-grupp: 1040 graders lösningsbehandling i 1 timme (vattenkylning) + 720 graders åldring i 8 timmar följt av 620 graders åldring i 8 timmar (ugnskylning);
HT3-grupp: 980 graders lösningsbehandling i 1 timme (vattenkylning) + 720 graders enkel lagring i 8 timmar (luftkylning);
HT4-grupp: 980 graders lösningsbehandling i 1 timme (vattensläckning) + 720 graders åldring i 8 timmar följt av 620 graders åldring i 8 timmar (ugnskylning).
3. Fasomvandling efter värmebehandling
Fem uppsättningar röntgendiffraktionsmönster (XRD) i Y-Z-planet under olika värmebehandlingsförhållanden, med testområden som täcker: region 1 (IN718-innehåll 70-100%), region 2 (IN718-innehåll 40-70%) och region 3 (IN718-innehåll 0-30%).
Diffraktionstoppintensiteterna under de fem värmebehandlingsbetingelserna visade inte signifikanta skillnader; Bragg-reflektionen av den austenitiska fasen-särskilt de starka (111) och (200) topparna i den ansikts-centrerade kubiska (FCC) strukturen-dominerade diffraktionsmönstret.
I det HT1-behandlade provet från region 1 var intensiteterna för topparna (111) och (220) högre än de för det deponerade tillståndet (AD). Dessutom visade alla värmebehandlade grupper en diffraktionstopp (311), vilket indikerar att en ytterligare förstärkningsfas bildades efter värmebehandling.
Under HT1-förhållanden är diffraktionstopparna i region 2 bredare och har lägre intensitet, vilket tyder på att fasstabiliteten i denna region är svagare.
I region 3 förhöjdes intensiteten av (111) toppen i det HT3-behandlade provet signifikant. Noterbart upptäcktes ' och ' förstärkningsfaser i XRD-mönstret för region 1. Snabb nedkylning under SLM-beredning med hög genomströmning bidrar inte till utfällningen av ' och ' faser, medan värmebehandling ger tillräckligt med tid för utfällningen av dessa förstärkningsfaser, vilket förklarar ökningen av intensiteten av (200) och (220) och (221). topp efter värmebehandling.
Efter värmebehandling med HT2 och HT4 detekterades också (311) diffraktionstoppar för '- och '-faserna i XRD-mönstren. Jämfört med (311) diffraktionstoppar efter lösningsbehandling och enkel åldring var dock diffraktionstopparna efter dubbelåldring mer intensiva, vilket tyder på att den dubbla åldringsfasen av ''. Intensiteten hos diffraktionstopparna i förstärkningsfasen var särskilt signifikant under HT2-behandlingsförhållandena, vilket indikerar att denna värmebehandling främjade utfällningen av fler ' och ' faser. Utfällningseffekten av förstärkningsfasen förväntas ha en positiv inverkan på de mekaniska egenskaperna hos det HT2-behandlade tillståndet. Kristalltoppens orientering ändrades dock inte (11) av den huvudsakliga värmebehandlingen. inte ändra den föredragna orienteringen av 316L/IN718 funktionsgraderat material.
4.Mikrostruktur efter värmebehandling
Under deponeringsförhållanden (AD) existerar långkedjiga Laves-faser i region 1. På grund av det höga IN718-innehållet i denna region faller en stor mängd Nb--rik fas ut i den intergranulära regionen, med en sammansättning av (Ni, Fe, Cr)2(Nb, Mo, Ti). Under HT1-behandling genomgår det mesta av Laves-fasen upplösning och fraktur, och den kvarvarande fasen omvandlas till en granulär morfologi. Vid HT3-behandling förvandlas Laves-fasen också till en granulär form genom en upplösningsprocess, åtföljd av utfällning av nål-liknande/stav-liknande δ-Ni3Nb-faser. Detta indikerar att både HT1- och HT3-prover inducerade diffusionssegregering av element (Ni, Nb, C, Mo) i region 1, ett fenomen som överensstämmer med resultaten av in-statistiska distributionsmätningar på plats av metaller i deponerings- och värme-behandlade prover med hjälp av hög-fluoroskopisk -fluoroskopisk{19}}fluoresc20}upplösningsmikroskopisk stråle20}.
Flerskaliga analysresultat bekräftar att genom att kontrollera lösligheten av Laves-fasen genom lösningstemperatur och kontrollera morfologin för δ-Ni3Nb-fasen genom åldringstid, kan en synergistisk optimering av styrka och plasticitet hos gradientmaterial uppnås. Detta ger vägledande principer för utvecklingen av nya gradientvärmebehandlingsprocesser.
Mikrostrukturutvecklingen av Region 3 under olika värmebehandlingsregimer avslöjar fasomvandlingskinetiken som drivs av kopplingseffekten av sammansättningsgradient och termisk historia. Den tvär-skaliga mikrostrukturutvecklingsmekanismen för denna region sammanfattas, och korrelationsmekanismen mellan värmebehandling, korngränsteknik och mekaniska egenskaper har fastställts. Under deponeringsförhållanden (AD) följer den 316L-dominanta regionen (Cr/Ni=1.82) en ferrit-austenit (FA) dubbel-fas stelningsväg, som bildar en cellulär dendritisk struktur. Efter HT1-värmebehandling minskar Cr/Ni-förhållandet till 1,35. Denna sammansättningstransformation främjar stelningsvägen från en ferrit-austenitdubbel-fas till en helt austenitisk enfasstruktur, vilket avsevärt minskar det interdendritiska ferritinnehållet. Fasidentifiering bekräftar denna transformation: FCC-fasen är en -austenitmatris, BCC-fasen är δ-ferrit och Ni3Al motsvarar ' utfällningsfasen. Region 3 domineras av austenit, som innehåller en liten mängd dispergerad ferrit. Volymfraktionerna av ferrit uppmätt med kvantitativ bildanalys var 3,5 % (AD), 0,7 % (HT1), 0,2 % (HT2), 1,5 % (HT3) respektive 0,8 % (HT4), vilket bekräftar att ferrithalten i alla värme-behandlade tillstånd var lägre än i det avsatta tillståndet.
Värmeexponering efter-avsättning främjar statisk omkristallisering, vilket leder till kornförgrovning och en betydande minskning av dendritavståndet. Den synergistiska effekten av sammansättningsgradienten är också signifikant: längs formningsriktningen (IN718-innehållet ökar från 0 till 100 vikt-%), inducerar den minskande lokala kylningshastigheten en gradvis förgrovning av dendritarmarna. Det deponerade provet i region 3 kännetecknas av fina likaxliga korn, med ännu mindre kornstorlekar (~8,4 μm) i botten av smältbassängen på grund av laseromsmältning. Däremot uppvisar de värmebehandlade-proverna en mer enhetlig kornstorleksfördelning, men kornförgrovning sker i region 3 efter värmebehandling-de genomsnittliga kornstorlekarna för HT1- och HT3-prover är 10,40 μm respektive 11,64 μm. Denna förgrovning tillskrivs främst den synergistiska effekten av värmeackumulering och avkylningshastighet: region 3 är belägen längst ner i gradientmaterialet, vilket resulterar i mindre värmeackumulering under hög-SLM-processen och finare initiala korn; medan den långsamma nedkylningsprocessen efter avsättningsvärmebehandling ger tillräcklig tid för spannmålstillväxt. Dessutom innehåller provet kontinuerliga kolumnformade kristaller som penetrerar flera lager. På grund av SLM-processens snabba riktningsstelnande egenskaper är korntillväxtriktningen vanligtvis överensstämmande med riktningen för den maximala temperaturgradienten (dvs. vinkelrätt mot botten av den smälta poolen).
Lösningsbehandling minskar strukturstyrkan avsevärt och förbättrar enhetligheten, med HT2 som visar den mest signifikanta effekten: 1040 graders lösningsbehandling kombinerat med dubbel åldring inducerar bildning av subkorngränser, vilket ökar andelen små-vinkelkorngränser (LAGB) till 39,1 % (den högsta bland alla värmebehandlingar). Detta förbättrar avsevärt den multi-skala koordinerade deformationsförmågan hos gradientstrukturen och främjar isotropiskt beteende.
Värmebehandling efter-lösning minskar avsevärt kvarvarande stress och främjar avsevärd upplösning av Laves-fasen (graden av upplösning ökar monotont med lösningens temperatur); hög-genomströmning SLM förfinar i sig den avsatta mikrostrukturen på grund av dess höga kylningshastighet, men efterföljande värmebehandling inducerar betydande kornförgrovning. Noterbart är att en liten mängd δ-Ni3Nb-fas återstår efter lösningsbehandling vid 980 grader, vilket indikerar att denna temperatur är under δ-Ni3Nb-faslösningslinjen.
5. Dragegenskaper
Dragbrott var nästan helt koncentrerad i den sammansatta övergångszonen mellan 30 % IN718 + 70% 316L och 40% IN718 + 60% 316L regionerna, där elementär segregation var mest uttalad. Det enda undantaget inträffade i HT2-värmebehandlat-tillstånd, där fraktur initierades vid 50 % 316L + 50% IN718-regionen och åtföljdes av betydande insnäppning. Dessa fynd visar kvantitativt att variationer i sammansättningsgradienter dominerar belastningskapaciteten för 316L/IN718 funktionellt graderade material (FGM).
När lösningens temperatur är 1040 grader förbättras både styrkan och plasticiteten hos materialet. Under enkel åldringsbehandling förbättrar HT1-processen avsevärt styrkan hos 316L/IN718 funktionellt graderade material (FGM) bättre än HT2, med en stärkande effekt på 6,58 %. Provet som behandlats med HT2 visade den mest signifikanta ökningen i förlängning vid 1040 graders lösningstemperatur, med en ökning på cirka 62,99 %.Dessa resultat indikerar att vid 1040 graders lösningstemperatur är enkel åldring mer gynnsam för förbättring av styrkan, medan dubbel åldring är mer gynnsam för förbättring av plasticitet.
När lösningsbehandlingstemperaturen sjunker till 980 grader ökar materialstyrkan (högre vid dubbel åldring och bättre vid enkel åldring), men plasticiteten minskar jämfört med det avsatta tillståndet.Den kombinerade förbättringen av styrka och plasticitet indikerar att HT2 är den optimala värmebehandlingen för 316L/IN718 funktionellt graderade material.
6.avslutningsvis
(1) Lösningstemperaturen dominerar fasutvecklingsvägen, medan effekten av åldrande är försumbar. En lösningstemperatur som är större än eller lika med 1040 grader kan avsevärt lösa upp Laves-fasen och hämma bildandet av δ-Ni3Nb-fasen, och därigenom frigöra Nb-element för den efterföljande utfällningen av ″/′ förstärkningsfasen, vilket ger en nödvändig förutsättning för att erhålla en god balans mellan styrka och plasticitet.
(2)Åldringsmetoder möjliggör styrka-plasticitetskontroll. Dubbel åldring efter lösningsbehandling vid 1040 grader kan öka plasticiteten med cirka 30 % utan att ge avkall på styrkan, vilket gör den lämplig för applikationer med hög-plasticitet. Omvänt, lösningsbehandling vid 980 grader inducerar utfällning av nål-liknande δ-Ni3Nb-faser längs korngränserna; detta leder till en signifikant minskning av plasticiteten under både enkel och dubbel åldring, och rekommenderas därför endast för applikationer där krypning med medelhög-temperatur är dominerande.
(3)Gradientkomponenter kräver en "hög-temperaturhomogenisering följt av låg-temperaturåldringsstrategi. Den IN718-berikade regionen i sig är rik på Nb- och Mo-element, vilket kräver för-lösningsbehandling vid högre än eller lika med 1040 grader; I annat fall kommer efterföljande låg-temperaturåldring att bilda en kontinuerlig nål-som δ-Ni3Nb-fasnätverk, vilket resulterar i en seghetsförlust av-rumstemperatur som är större än eller lika med 40 %. Denna behandlingssekvens kan fungera som en allmän designprincip för värmebehandlingen efter selektiv lasersmältning (SLM) av liknande funktionellt graderade material (FGM).
(4)Karakteriseringen av gradientmaterial bör följa en tre-stegs sluten-loopprocess: Först utförs makroskopisk dragför-screening för att identifiera skillnader mellan batch-till-batch; för det andra, töjningsfältsfördelningskartor ε(x) plottas med användning av full-fält digital bildkorrelation (DIC) teknologi, och lokala spännings-töjnings (σ-ε) konstitutiva relationer erhålls genom mikro/nano-mekanisk testning; slutligen kalibreras den konstitutiva gradientmodellen inbäddad med finita elementanalys (FEA). Denna verifieringskedja kan frikoppla det övergripande svaret till rumsligt lösta designtillåtna värden, och därigenom möjliggöra finjustering av processen och bedömning av tjänstens tillförlitlighet.
