Sammenlignet med retningsbestemt energiaflejring er selektiv lasersmeltning blevet mindre undersøgt til fremstilling af funktionelt sorterede materialer, og efter-behandlingsvinduet er stadig uklart.
Vores forskere brugte SLM-teknologi til at fremstille 316L/IN718 funktionelt graderede materialer og evaluerede systematisk virkningerne af repræsentative varmebehandlingsprocesser på faseudvikling og trækegenskaber
1.SLM-fremstilling af 316L/IN718 funktionelt klassificerede materialer
2. Varmebehandlingsproces
Baseret på analysen af ovenstående figur blev der designet et gradient varmebehandlingsskema. To opløsningstemperaturer blev valgt: 980 grader (under opløsningstemperaturen) og 1040 grader (over opløsningstemperaturen), kombineret med to ældningsstrategier: enkelt ældning ved 720 grader og dobbelt ældning ved 720 grader + 620 grader. Baseret på dette blev der opstillet fem sæt kontroleksperimenter:
AD-gruppe (aflejret tilstand): opretholdes i sin oprindelige forberedelsestilstand;
HT1-gruppe: 1040 graders opløsningsbehandling i 1 time (vandbekæmpelse) + 720 graders enkelt ældning i 8 timer (luftkøling);
HT2-gruppe: 1040 graders opløsningsbehandling i 1 time (vandbekæmpelse) + 720 graders ældning i 8 timer efterfulgt af 620 graders ældning i 8 timer (ovnkøling);
HT3-gruppe: 980 graders opløsningsbehandling i 1 time (vandbekæmpelse) + 720 graders enkelt ældning i 8 timer (luftkøling);
HT4-gruppe: 980 graders opløsningsbehandling i 1 time (vandbekæmpelse) + 720 graders ældning i 8 timer efterfulgt af 620 graders ældning i 8 timer (ovnkøling).
3. Fasetransformation efter varmebehandling
Fem sæt røntgendiffraktionsmønstre (XRD) i Y-Z-planet under forskellige varmebehandlingsforhold, med testområder, der dækker: område 1 (IN718-indhold 70-100%), område 2 (IN718-indhold 40-70%) og område 3 (IN718-indhold 0-30%).
Diffraktionsspidsintensiteterne under de fem varmebehandlingsbetingelser viste ikke signifikante forskelle; Bragg-refleksionen af den austenitiske fase-især de stærke (111) og (200) toppe af den ansigts-centrerede kubiske (FCC) struktur-dominerede diffraktionsmønsteret.
I den HT1-behandlede prøve fra region 1 var intensiteterne af toppe (111) og (220) højere end dem i den deponerede tilstand (AD). Derudover viste alle varmebehandlede grupper en diffraktionstop (311), hvilket indikerer, at en yderligere forstærkningsfase blev dannet efter varmebehandling.
Under HT1-betingelser er diffraktionstoppene i region 2 bredere og har lavere intensitet, hvilket tyder på, at fasestabiliteten i denne region er svagere.
I region 3 var intensiteten af (111) toppen i den HT3-behandlede prøve signifikant forøget. Navnlig blev ' og ' forstærkningsfaser detekteret i XRD-mønsteret i region 1. Hurtig afkøling under SLM-forberedelse med høj gennemstrømning er ikke befordrende for udfældning af ' og ' faser, mens varmebehandling giver tilstrækkelig tid til udfældning af disse forstærkningsfaser, hvilket forklarer stigningen i intensiteten af (200) og (220) og (220) udseende af cry-planen. top efter varmebehandling.
Efter varmebehandling med HT2 og HT4 blev (311) diffraktionstoppe af '- og '-faserne også detekteret i XRD-mønstrene. Sammenlignet med (311) diffraktionstoppe efter opløsningsbehandling og enkelt ældning, var diffraktionstoppene efter dobbeltældning mere intense, hvilket indikerer, at den dobbelte ældningsproces fremmede og ". Intensiteten af forstærkningsfasens diffraktionstoppe var særligt signifikant under HT2-behandlingsbetingelserne, hvilket indikerer, at denne varmebehandling fremmede udfældningen af flere '- og "-faser. Udfældningseffekten af forstærkningsfasen forventes at have en positiv indvirkning på de mekaniske egenskaber af den HT2-behandlede tilstand. Krystalspidsens orientering ændrede dog ikke (11) den væsentligste varmebehandling (11). ikke ændre den foretrukne orientering af det 316L/IN718 funktionelt klassificerede materiale.
4.Mikrostruktur efter varmebehandling
Under aflejringsforhold (AD) eksisterer der lang-lavkædede Laves-faser i region 1. På grund af det høje IN718-indhold i denne region udfældes en stor mængde Nb-rig fase i den intergranulære region med en sammensætning af (Ni, Fe, Cr)2(Nb, Mo, Ti). Under HT1-behandling gennemgår det meste af Laves-fasen opløsning og fraktur, og den resterende fase omdannes til en granulær morfologi. Ved HT3-behandling omdannes Laves-fasen også til en granulær form gennem en opløsningsproces, ledsaget af udfældning af nåle-lignende/stang-lignende δ-Ni3Nb-faser. Dette indikerer, at både HT1- og HT3-prøver inducerede diffusionsadskillelse af grundstoffer (Ni, Nb, C, Mo) i region 1, et fænomen, der stemmer overens med resultaterne af in-situ statistiske distributionsmålinger af metaller i aflejrings- og varme-behandlede prøver ved hjælp af høj-røntgenstråle-røntgenstråle{19}}fluorescerende{19}-røntgenstråle20}.
Multiskalaanalyseresultater bekræfter, at ved at kontrollere opløseligheden af Laves-fasen gennem opløsningstemperatur og kontrollere morfologien af δ-Ni3Nb-fasen gennem ældningstid, kan den synergistiske optimering af styrke og plasticitet af gradientmaterialer opnås. Dette giver vejledende principper for udviklingen af nye gradientvarmebehandlingsprocesser.
Mikrostrukturudviklingen af Region 3 under forskellige varmebehandlingsregimer afslører fasetransformationskinetikken drevet af koblingseffekten af sammensætningsgradient og termisk historie. Mikrostrukturudviklingsmekanismen på tværs af -skalaen i denne region er opsummeret, og korrelationsmekanismen mellem varmebehandling, korngrænseteknik og mekaniske egenskaber er etableret. Under aflejringsbetingelser (AD) følger den 316L-dominante region (Cr/Ni=1.82) en ferrit-austenit (FA) dobbelt--fase størkningsvej, der danner en cellulær dendritisk struktur. Efter HT1 varmebehandling falder Cr/Ni-forholdet til 1,35. Denne kompositoriske transformation fremmer størkningsvejen fra en ferrit--austenit-dobbelt-fase til en fuldt austenitisk enkelt--fasestruktur, hvilket reducerer det interdendritiske ferritindhold betydeligt. Faseidentifikation bekræfter denne transformation: FCC-fasen er en -austenitmatrix, BCC-fasen er δ-ferrit, og Ni3Al svarer til ' bundfaldsfasen. Region 3 er domineret af austenit, der indeholder en lille mængde dispergeret ferrit. Volumenfraktionerne af ferrit målt ved kvantitativ billedanalyse var henholdsvis 3,5 % (AD), 0,7 % (HT1), 0,2 % (HT2), 1,5 % (HT3) og 0,8 % (HT4), hvilket bekræfter, at ferritindholdet i alle varme-behandlede tilstande var lavere end i den aflejrede tilstand.
Varmeeksponering efter-aflejring fremmer statisk omkrystallisering, hvilket fører til kornforstørrelse og en betydelig reduktion af dendritafstanden. Den synergistiske effekt af sammensætningsgradienten er også signifikant: langs formningsretningen (IN718-indhold stigende fra 0 til 100 vægt%) inducerer den faldende lokale afkølingshastighed en gradvis forstørrelse af dendritarmene. Den deponerede prøve i region 3 er karakteriseret ved fine ligeaksede korn med endnu mindre kornstørrelser (~8,4 μm) i bunden af smeltebassinet på grund af laseromsmeltning. I modsætning hertil udviser de varme-prøver en mere ensartet kornstørrelsesfordeling, men kornforgrovning forekommer i område 3 efter varmebehandling-de gennemsnitlige kornstørrelser af HT1- og HT3-prøver er henholdsvis 10,40 μm og 11,64 μm. Denne forgrovning tilskrives hovedsageligt den synergistiske effekt af varmeakkumulering og afkølingshastighed: Område 3 er placeret i bunden af gradientmaterialet, hvilket resulterer i mindre varmeakkumulering under høj-energi SLM-processen og finere initiale korn; mens den langsomme afkølingsproces efter deponeringsvarmebehandling giver tilstrækkelig tid til kornvækst. Derudover indeholder prøven kontinuerlige søjleformede krystaller, der penetrerer flere lag. På grund af SLM-processens hurtige retningsbestemte størkningsegenskaber er kornvækstretningen sædvanligvis i overensstemmelse med retningen af den maksimale temperaturgradient (dvs. vinkelret på bunden af den smeltede pool).
Opløsningsbehandling reducerer teksturstyrken markant og forbedrer ensartetheden, hvor HT2 viser den mest signifikante effekt: 1040 graders opløsningsbehandling kombineret med dobbelt ældning inducerer dannelse af underkornsgrænser, hvilket øger andelen af små-vinklede korngrænser (LAGB'er) til 39,1 % (den højeste blandt alle varmebehandlinger). Dette forbedrer i høj grad gradientstrukturens multi-skalakoordinerede deformationsevne og fremmer isotropisk adfærd.
Efter-opløsningsvarmebehandling reducerer restspændingen markant og fremmer væsentlig opløsning af Laves-fasen (opløsningsgraden stiger monotont med opløsningstemperaturen); høj-gennemstrømning SLM forfiner i sagens natur den aflejrede mikrostruktur på grund af dens høje afkølingshastighed, men efterfølgende varmebehandling inducerer betydelig kornforstørrelse. Navnlig er en lille mængde δ-Ni3Nb-fase tilbage efter opløsningsbehandling ved 980 grader, hvilket indikerer, at denne temperatur er under δ-Ni3Nb-faseopløsningslinjen.
5. Trækegenskaber
Trækbrud var næsten udelukkende koncentreret i den sammensatte overgangszone mellem 30 % IN718 + 70% 316L og 40% IN718 + 60% 316L regionerne, hvor elementær segregation var mest udtalt. Den eneste undtagelse fandt sted i den HT2-varme-behandlede tilstand, hvor fraktur startede ved 50 % 316L + 50% IN718-regionen og blev ledsaget af betydelig indsnævring. Disse resultater viser kvantitativt, at variationer i sammensætningsgradienter dominerer belastnings{14}}bæreevnen af 316L/IN718 funktionelt klassificerede materialer (FGM'er).
Når opløsningstemperaturen er 1040 grader, forbedres både styrken og plasticiteten af materialet. Under enkelt ældningsbehandling forbedrer HT1-processen væsentligt styrken af 316L/IN718 funktionelt klassificerede materialer (FGM'er) bedre end HT2, med en styrkende effekt på 6,58%. Prøven behandlet med HT2 viste den mest signifikante stigning i forlængelse ved 1040 graders opløsningstemperatur med en stigning på ca. 62,99 %.Disse resultater indikerer, at ved 1040 graders opløsningstemperatur er enkelt ældning mere befordrende for styrkeforbedring, mens dobbeltældning er mere befordrende for plasticitetsforbedring.
Når opløsningsbehandlingstemperaturen falder til 980 grader, øges materialestyrken (højere ved dobbelt ældning og bedre ved enkelt ældning), men plasticiteten falder i forhold til den aflejrede tilstand.Den kombinerede forbedring i styrke og plasticitet indikerer, at HT2 er den optimale varmebehandling til 316L/IN718 funktionelt klassificerede materialer.
6.afslutningsvis
(1) Opløsningstemperaturen dominerer faseudviklingsvejen, mens effekten af aldring er ubetydelig. En opløsningstemperatur Større end eller lig med 1040 grader kan væsentligt opløse Laves-fasen og hæmme dannelsen af δ-Ni3Nb-fasen og derved frigive Nb-elementer til den efterfølgende udfældning af ″/′ forstærkningsfasen, hvilket giver en nødvendig forudsætning for at opnå en god balance mellem styrke og plastik.
(2) Ældningsmetoder giver mulighed for styrke-plasticitetskontrol. Dobbelt ældning efter opløsningsbehandling ved 1040 grader kan øge plasticiteten med ca. 30 % uden at ofre styrken, hvilket gør den velegnet til applikationer med høj-plasticitet. Omvendt inducerer opløsningsbehandling ved 980 grader udfældning af nåle-lignende δ-Ni3Nb-faser langs korngrænser; dette fører til et betydeligt fald i plasticiteten under både enkelt- og dobbeltældning og anbefales derfor kun til applikationer, hvor krybning med mellemtemperatur-er dominerende.
(3) Gradientkomponenter kræver en "høj-temperaturhomogenisering efterfulgt af lav-temperatur-ældningsstrategi. Selve den IN718-berigede region er rig på Nb- og Mo-elementer, hvilket nødvendiggør præ-opløsningsbehandling ved større end eller lig med 1040 grader; ellers vil efterfølgende ældning ved lav-temperatur danne en kontinuerlig nål-lignende δ-Ni3Nb-fasenetværk, hvilket resulterer i et tab af sejhed i rum- på mere end eller lig med 40 %. Denne behandlingssekvens kan tjene som et generelt designprincip for varmebehandlingen efter selektiv lasersmeltning (SLM) af lignende funktionelt graderede materialer (FGM'er).
(4)Karakteriseringen af gradientmaterialer bør følge en tre-trins lukket-sløjfeproces: Først udføres makroskopisk trækpræ-screening for at identificere batch-til-batchforskelle; for det andet plottes strain field distribution maps ε(x) ved hjælp af fuld-felt digital billedkorrelation (DIC) teknologi, og lokale spændings-deformations (σ-ε) konstitutive relationer opnås gennem mikro/nano-skala mekanisk testning; til sidst kalibreres den konstitutive gradientmodel indlejret med finite element analyse (FEA). Denne bekræftelseskæde kan afkoble det overordnede svar til rumligt løste designtilladelige værdier, og derved muliggøre finjustering af processen og vurdering af servicepålidelighed.
