În comparație cu depunerea direcțională a energiei, topirea selectivă cu laser a fost mai puțin studiată pentru fabricarea materialelor gradate funcțional, iar fereastra de post-procesare rămâne neclară.
Cercetătorii noștri au folosit tehnologia SLM pentru a prepara materiale gradate funcțional 316L/IN718 și au evaluat sistematic efectele proceselor reprezentative de tratament termic asupra evoluției fazei și proprietăților de tracțiune.
1.Pregătirea SLM a materialelor gradate funcțional 316L/IN718
2. Procesul de tratament termic
Pe baza analizei figurii de mai sus, a fost concepută o schemă de tratament termic în gradient. Au fost selectate două temperaturi ale soluției: 980 de grade (sub temperatura soluției) și 1040 de grade (peste temperatura soluției), combinate cu două strategii de îmbătrânire: îmbătrânire simplă la 720 de grade și îmbătrânire dublă la 720 de grade + 620 grade . Pe baza acesteia, au fost create cinci seturi de experimente de control:
Grupa AD (starea depozitată): menținută în starea de preparare inițială;
Grupa HT1: tratare cu soluție de 1040 grade timp de 1 oră (stingerea cu apă) + 720 grad unic de îmbătrânire timp de 8 ore (răcire cu aer);
Grupa HT2: tratare cu soluție la 1040 de grade timp de 1 oră (călire cu apă) + 720 grad de îmbătrânire timp de 8 ore urmată de îmbătrânire la 620 de grade timp de 8 ore (răcire cuptor);
Grupa HT3: tratare cu soluție la 980 de grade timp de 1 oră (stingerea cu apă) + 720 grad unic de îmbătrânire timp de 8 ore (răcire cu aer);
Grupa HT4: tratare cu soluție la 980 de grade timp de 1 oră (stingerea cu apă) + 720 grad de îmbătrânire timp de 8 ore urmată de îmbătrânire la 620 de grade timp de 8 ore (răcire cuptor).
3.Transformare de fază după tratamentul termic
Cinci seturi de modele de difracție de raze X-(XRD) în planul Y-Z în diferite condiții de tratament termic, cu zone de testare care acoperă: regiunea 1 (conținut IN718 70-100%), regiunea 2 (conținutul IN718 40-70%) și regiunea 3 (conținutul IN718 0-30%).
Intensitățile de vârf de difracție în cele cinci condiții de tratament termic nu au prezentat diferențe semnificative; reflexia Bragg a fazei austenitice-în special vârfurile puternice (111) și (200) ale structurii cubice centrate-FCC-a dominat modelul de difracție.
În proba tratată cu HT1-din regiunea 1, intensitățile vârfurilor (111) și (220) au fost mai mari decât cele ale stării depuse (AD). În plus, toate grupurile tratate termic au prezentat un vârf de difracție (311), indicând faptul că s-a format o fază suplimentară de armare după tratamentul termic.
În condițiile HT1, vârfurile de difracție din regiunea 2 sunt mai largi și au o intensitate mai mică, ceea ce sugerează că stabilitatea de fază în această regiune este mai slabă.
În regiunea 3, intensitatea vârfului (111) din proba tratată cu HT3-a fost semnificativ îmbunătățită. În special, fazele de întărire „și „ au fost detectate în modelul XRD al regiunii 1. Răcirea rapidă în timpul pregătirii SLM cu debit mare nu este favorabilă precipitarii fazelor „ și „, în timp ce tratamentul termic oferă suficient timp pentru precipitarea acestor faze de întărire, ceea ce explică creșterea intensității (200) și (220) după apariția maximă a cristalului (220) și (220).
După tratamentul termic cu HT2 și HT4, (311) vârfuri de difracție ale fazelor ' și " au fost detectate și în modelele XRD. Cu toate acestea, în comparație cu (311) vârfuri de difracție după tratarea cu soluție și îmbătrânire simplă, vârfurile de difracție după îmbătrânire dublă au fost mai intense, indicând că procesul de îmbătrânire dublă a promovat în continuare formarea fazei de întărire ". Intensitatea vârfurilor de difracție a fazei de întărire a fost deosebit de semnificativă în condițiile de tratament cu HT2, indicând că acest tratament termic a promovat precipitarea mai multor faze și „. Efectul de precipitare al fazei de întărire este de așteptat să aibă un impact pozitiv asupra proprietăților mecanice ale stării tratate cu HT2. a materialului gradat funcțional 316L/IN718.
4.Microstructura după tratamentul termic
În condiții de depunere (AD), fazele Laves cu lanț lung-există în regiunea 1. Datorită conținutului ridicat de IN718 din această regiune, o cantitate mare de fază bogată în Nb-precipită în regiunea intergranulară, cu o compoziție de (Ni, Fe, Cr)2(Nb, Mo, Ti). Sub tratamentul HT1, cea mai mare parte a fazei Laves suferă dizolvare și fractură, iar faza reziduală se transformă într-o morfologie granulară. În tratamentul HT3, faza Laves se transformă, de asemenea, într-o formă granulară printr-un proces de dizolvare, însoțită de precipitarea fazelor δ{-Ni3Nb ca ace-/tij-. Acest lucru indică faptul că ambele probe HT1 și HT3 au indus segregarea prin difuzie a elementelor (Ni, Nb, C, Mo) în regiunea 1, un fenomen în concordanță cu rezultatele măsurătorilor distribuției statistice in-situ ale metalelor în probele depoziționale și tratate termic-utilizând spectroscopie{20}de fluoresc{20}{19}de înaltă rezoluție.
Rezultatele analizei la scară multiplă confirmă că prin controlul solubilității fazei Laves prin temperatura soluției și controlul morfologiei fazei δ-Ni3Nb prin timpul de îmbătrânire, se poate obține optimizarea sinergică a rezistenței și plasticității materialelor gradient. Aceasta oferă principii-cheie ale ingineriei de fază pentru dezvoltarea de noi procese de tratament termic cu gradient.
Evoluția microstructurii Regiunii 3 sub diferite regimuri de tratament termic dezvăluie cinetica transformării de fază determinată de efectul de cuplare al gradientului compozițional și al istoriei termice. Mecanismul de evoluție a microstructurii la scară transversală-a acestei regiuni este rezumat și este stabilit mecanismul de corelare dintre tratamentul termic, ingineria granițelor și proprietățile mecanice. În condiții de depunere (AD), regiunea dominantă 316L-(Cr/Ni=1.82) urmează o cale de solidificare cu două faze-a feritei-austenitei (FA), formând o structură dendritică celulară. După tratamentul termic cu HT1, raportul Cr/Ni scade la 1,35. Această transformare compozițională promovează calea de solidificare de la o fază dublă de ferită-austenită-la o structură cu o singură fază-complet austenitică, reducând semnificativ conținutul de ferită interdendritică. Identificarea fazei confirmă această transformare: faza FCC este o matrice -austenită, faza BCC este δ-ferită, iar Ni3Al corespunde 'fazei de precipitat. Regiunea 3 este dominată de austenită, care conține o cantitate mică de ferită dispersată. Fracțiile de volum de ferită măsurate prin analiza cantitativă a imaginii au fost de 3,5% (AD), 0,7% (HT1), 0,2% (HT2), 1,5% (HT3) și respectiv 0,8% (HT4), confirmând că conținutul de ferită în toate stările tratate termic a fost mai mic decât cel din starea depusă.
Expunerea la căldură post-depunere promovează recristalizarea statică, ceea ce duce la îngroșarea cerealelor și la o reducere semnificativă a distanței dintre dendrite. Efectul sinergic al gradientului compozițional este de asemenea semnificativ: de-a lungul direcției de formare (conținutul de IN718 crescând de la 0 la 100% în greutate), scăderea vitezei de răcire locală induce îngroșarea treptată a brațelor dendrite. Proba depusă în regiunea 3 este caracterizată de granule fine echiaxiale, cu dimensiuni și mai mici ale granulelor (~8,4 μm) în partea de jos a bazinului de topitură datorită retopirii cu laser. În schimb, probele tratate termic- prezintă o distribuție mai uniformă a granulelor, dar îngroșarea granulelor are loc în regiunea 3 după tratamentul termic-dimensiunile medii ale granulelor ale probelor HT1 și HT3 sunt de 10,40 μm și, respectiv, 11,64 μm. Această îngroșare este atribuită în principal efectului sinergic al acumulării de căldură și al vitezei de răcire: regiunea 3 este situată în partea de jos a materialului gradient, rezultând o acumulare mai mică de căldură în timpul procesului SLM de-energie mare și granule inițiale mai fine; în timp ce procesul de răcire lent după tratamentul termic de depunere oferă suficient timp pentru creșterea boabelor. În plus, proba conține cristale columnare continue care pătrund în mai multe straturi. Datorită caracteristicilor de solidificare direcțională rapidă ale procesului SLM, direcția de creștere a boabelor este de obicei în concordanță cu direcția gradientului de temperatură maximă (adică, perpendicular pe fundul bazinului topit).
Tratamentul cu soluție reduce semnificativ rezistența texturii și îmbunătățește uniformitatea, HT2 arătând cel mai semnificativ efect: tratamentul cu soluție de 1040 de grade combinat cu îmbătrânirea dublă induce formarea limitelor subgranulelor, crescând proporția limitelor de granulație cu unghi mic-(LAGB) la 39,1% (cel mai mare dintre toate tratamentele termice). Acest lucru îmbunătățește considerabil capacitatea de deformare coordonată pe mai multe-scale a structurii gradientului și promovează comportamentul izotrop.
Tratamentul termic post-soluție reduce semnificativ stresul rezidual și promovează dizolvarea substanțială a fazei Laves (gradul de dizolvare crește monoton cu temperatura soluției); SLM cu randament ridicat-rafinează în mod inerent microstructura depusă datorită vitezei sale mari de răcire, dar tratamentul termic ulterior induce îngroșarea semnificativă a cerealelor. În special, o cantitate mică de fază δ-Ni3Nb rămâne după tratarea cu soluție la 980 de grade, ceea ce indică faptul că această temperatură este sub linia de soluție a fazei δ{-Ni3Nb.
5.Proprietăți de tracțiune
Ruptura de tracțiune a fost concentrată aproape în întregime în zona de tranziție compozițională dintre regiunile 30% IN718 + 70% 316L și 40% IN{718 + 60% 316L, unde segregarea elementară a fost cea mai pronunțată. Singura excepție a avut loc în starea tratată termic cu HT2-, unde fractura a inițiat la regiunea 50% 316L + 50% IN718 și a fost însoțită de gât semnificativ. Aceste constatări demonstrează cantitativ că variațiile gradientului compozițional domină capacitatea de încărcare-a materialelor clasificate funcțional (FGM) 316L/IN718.
Când temperatura soluției este de 1040 de grade, atât rezistența, cât și plasticitatea materialului sunt îmbunătățite. Sub un singur tratament de îmbătrânire, procesul HT1 îmbunătățește semnificativ rezistența materialelor gradate funcțional (FGM) 316L/IN718 mai bine decât HT2, cu un efect de întărire de 6,58%. Proba tratată cu HT2 a prezentat cea mai semnificativă creștere a alungirii la temperatura soluției de 1040 de grade, cu o creștere de aproximativ 62,99%.Aceste rezultate indică faptul că la temperatura soluției de 1040 de grade, îmbătrânirea unică este mai propice pentru îmbunătățirea rezistenței, în timp ce îmbătrânirea dublă este mai propice pentru îmbunătățirea plasticității.
Când temperatura de tratare a soluției scade la 980 de grade, rezistența materialului crește (mai mare cu îmbătrânirea dublă și mai bună cu îmbătrânirea simplă), dar plasticitatea scade față de starea depusă.Îmbunătățirea combinată a rezistenței și plasticității indică faptul că HT2 este tratamentul termic optim pentru materialele gradate funcțional 316L/IN718.
6.în concluzie
(1) Temperatura soluției domină calea de evoluție a fazei, în timp ce efectul îmbătrânirii este neglijabil. O temperatură a soluției mai mare sau egală cu 1040 de grade poate dizolva semnificativ faza Laves și poate inhiba formarea fazei δ-Ni3Nb, eliberând astfel elemente Nb pentru precipitarea ulterioară a fazei de întărire ″/′, oferind o condiție necesară pentru obținerea unui echilibru bun între rezistență și plasticitate.
(2)Metodele de îmbătrânire permit controlul rezistenței-plasticității. Îmbătrânirea dublă după tratamentul cu soluție la 1040 de grade poate crește plasticitatea cu aproximativ 30% fără a sacrifica rezistența, făcându-l potrivit pentru aplicații cu-plasticitate ridicată. În schimb, tratarea cu soluție la 980 de grade induce precipitarea fazelor δ-Ni3Nb ca ace-de-a lungul granițelor; acest lucru duce la o scădere semnificativă a plasticității atât în timpul îmbătrânirii simple, cât și a celui dublu și, prin urmare, este recomandat numai pentru aplicațiile în care fluajul la temperatură-medie este dominantă.
(3)Componentele gradient necesită o strategie de „omogenizare la temperatură înaltă-, urmată de îmbătrânire la temperatură scăzută”. Regiunea îmbogățită cu IN718 în sine este bogată în elemente Nb și Mo, necesitând un tratament pre-soluție la o temperatură mai mare sau egală cu 1040 de grade; în caz contrar, îmbătrânirea ulterioară la -temperatură scăzută va forma un ac-continuu ca o rețea de fază δ-Ni3Nb, rezultând o pierdere de tenacitate la temperatura camerei-mai mare sau egală cu 40%. Această secvență de tratament poate servi ca principiu general de proiectare pentru tratamentul termic după topirea selectivă cu laser (SLM) a materialelor similare gradate funcțional (FGM).
(4) Caracterizarea materialelor cu gradient ar trebui să urmeze un proces în buclă închisă-în trei-etape: În primul rând, pre-cerarea la tracțiune macroscopică este efectuată pentru a identifica diferențele lot-la-; în al doilea rând, hărțile de distribuție a câmpului de deformare ε(x) sunt reprezentate folosind tehnologia de corelare a imaginii digitale (DIC) de câmp complet și relațiile constitutive ale tensiunii-deformațiilor (σ-ε) sunt obținute prin teste mecanice la scară micro/nano-; în cele din urmă, modelul constitutiv de gradient încorporat cu analiza cu elemente finite (FEA) este calibrat. Acest lanț de verificare poate decupla răspunsul general în valori permise de proiectare rezolvate spațial, permițând astfel reglarea-fină a procesului și evaluarea fiabilității serviciului.
