Σε σύγκριση με την κατευθυντική εναπόθεση ενέργειας, η επιλεκτική τήξη λέιζερ έχει μελετηθεί λιγότερο για την κατασκευή λειτουργικά διαβαθμισμένων υλικών και το παράθυρο μετά την{0}}επεξεργασία παραμένει ασαφές.
Οι ερευνητές μας χρησιμοποίησαν την τεχνολογία SLM για να παρασκευάσουν λειτουργικά διαβαθμισμένα υλικά 316L/IN718 και αξιολόγησαν συστηματικά τα αποτελέσματα αντιπροσωπευτικών διαδικασιών θερμικής επεξεργασίας στην εξέλιξη φάσης και στις ιδιότητες εφελκυσμού
1.Προετοιμασία SLM λειτουργικά διαβαθμισμένων υλικών 316L/IN718
2.Διαδικασία θερμικής επεξεργασίας
Με βάση την ανάλυση του παραπάνω σχήματος, σχεδιάστηκε ένα σχήμα θερμικής επεξεργασίας βαθμίδωσης. Επιλέχθηκαν δύο θερμοκρασίες διαλύματος: 980 μοίρες (κάτω από τη θερμοκρασία διαλύματος) και 1040 μοίρες (πάνω από τη θερμοκρασία διαλύματος), σε συνδυασμό με δύο στρατηγικές γήρανσης: απλή γήρανση στους 720 βαθμούς και διπλή γήρανση στους 720 βαθμούς + 620 βαθμούς . Με βάση αυτό, δημιουργήθηκαν πέντε σετ πειραμάτων ελέγχου:
Ομάδα AD (κατάσταση κατάθεσης): διατηρείται στην αρχική της κατάσταση προετοιμασίας.
Ομάδα HT1: Επεξεργασία διαλύματος 1040 μοιρών για 1 ώρα (σβέση με νερό) + 720 βαθμός μονήρης παλαίωσης για 8 ώρες (ψύξη με αέρα).
Ομάδα HT2: Επεξεργασία διαλύματος 1040 μοιρών για 1 ώρα (σβέση με νερό) + 720 βαθμός γήρανσης για 8 ώρες ακολουθούμενη από γήρανση 620 μοιρών για 8 ώρες (ψύξη σε φούρνο).
Ομάδα HT3: επεξεργασία διαλύματος 980 μοιρών για 1 ώρα (σβέση με νερό) + 720 βαθμός μονήρης παλαίωσης για 8 ώρες (ψύξη με αέρα).
Ομάδα HT4: Επεξεργασία διαλύματος 980 μοιρών για 1 ώρα (σβέση με νερό) + 720 βαθμός γήρανσης για 8 ώρες ακολουθούμενη από γήρανση 620 μοιρών για 8 ώρες (ψύξη φούρνου).
3.Μετασχηματισμός φάσης μετά από θερμική επεξεργασία
Πέντε σετ μοτίβων περίθλασης ακτίνων Χ-(XRD) στο επίπεδο Y-Z υπό διαφορετικές συνθήκες θερμικής επεξεργασίας, με περιοχές δοκιμής που καλύπτουν: περιοχή 1 (περιεκτικότητα IN718 70-100%), περιοχή 2 (περιεκτικότητα IN718 40-70%) και περιοχή 3 (περιεκτικότητα IN718 0-30%).
Οι εντάσεις κορυφής περίθλασης κάτω από τις πέντε συνθήκες θερμικής επεξεργασίας δεν παρουσίασαν σημαντικές διαφορές. η ανάκλαση Bragg της ωστενιτικής φάσης-ιδιαίτερα οι ισχυρές (111) και (200) κορυφές της όψης-κεντρικής κυβικής (FCC) δομής-κυριάρχησαν στο σχέδιο περίθλασης.
Στο δείγμα που υποβλήθηκε σε επεξεργασία με HT1- από την περιοχή 1, οι εντάσεις των κορυφών (111) και (220) ήταν υψηλότερες από αυτές της κατάστασης κατάθεσης (AD). Επιπλέον, όλες οι ομάδες που υποβλήθηκαν σε θερμική επεξεργασία έδειξαν μια κορυφή περίθλασης (311), υποδεικνύοντας ότι μια πρόσθετη ενισχυτική φάση σχηματίστηκε μετά τη θερμική επεξεργασία.
Υπό συνθήκες HT1, οι κορυφές περίθλασης στην περιοχή 2 είναι ευρύτερες και έχουν χαμηλότερη ένταση, υποδηλώνοντας ότι η σταθερότητα φάσης σε αυτήν την περιοχή είναι ασθενέστερη.
Στην περιοχή 3, η ένταση της κορυφής (111) στο δείγμα που υποβλήθηκε σε επεξεργασία με HT3-ενισχύθηκε σημαντικά. Συγκεκριμένα, ανιχνεύθηκαν φάσεις "και " ενίσχυσης στο πρότυπο XRD της περιοχής 1. Η ταχεία ψύξη κατά την προετοιμασία SLM υψηλής απόδοσης δεν ευνοεί την κατακρήμνιση των φάσεων "και ", ενώ η θερμική επεξεργασία παρέχει επαρκή χρόνο για την καθίζηση αυτών των φάσεων ενίσχυσης, γεγονός που εξηγεί την αύξηση της έντασης των (200) και 3 της εμφάνισης (200) και1 της εμφάνισης (200) και 2 της όψης (200) και 1 της εμφάνισης (2) κορυφώνεται μετά τη θερμική επεξεργασία.
Μετά τη θερμική επεξεργασία με HT2 και HT4, (311) ανιχνεύθηκαν κορυφές περίθλασης των φάσεων ' και ' στα μοτίβα XRD. Ωστόσο, σε σύγκριση με τις (311) κορυφές περίθλασης μετά από επεξεργασία διαλύματος και απλή γήρανση, οι κορυφές περίθλασης μετά τη διπλή γήρανση ήταν πιο έντονες, υποδεικνύοντας ότι η διαδικασία διπλού σχηματισμού της γήρανσης προάγει περαιτέρω και ενισχύει τη διαδικασία γήρανσης. Η ένταση των κορυφών περίθλασης της φάσης ενίσχυσης ήταν ιδιαίτερα σημαντική υπό τη συνθήκη επεξεργασίας HT2, υποδεικνύοντας ότι αυτή η θερμική επεξεργασία προώθησε την καθίζηση περισσότερων φάσεων 'και'. δεν άλλαξε τον προτιμώμενο προσανατολισμό του λειτουργικά διαβαθμισμένου υλικού 316L/IN718.
4.Μικροδομή μετά από θερμική επεξεργασία
Υπό συνθήκες εναπόθεσης (AD), υπάρχουν φάσεις Laves μακράς-αλυσίδας στην περιοχή 1. Λόγω της υψηλής περιεκτικότητας σε IN718 σε αυτήν την περιοχή, μεγάλη ποσότητα Nb-πλούσιας φάσης κατακρημνίζεται στη διακοκκώδη περιοχή, με σύνθεση (Ni, Fe, Cr)2(Nb, Mo, Ti). Κάτω από την επεξεργασία HT1, το μεγαλύτερο μέρος της φάσης Laves υφίσταται διάλυση και κάταγμα, και η υπολειπόμενη φάση μετατρέπεται σε κοκκώδη μορφολογία. Στη θεραπεία HT3, η φάση Laves μετατρέπεται επίσης σε κοκκώδη μορφή μέσω μιας διαδικασίας διάλυσης, που συνοδεύεται από την κατακρήμνιση φάσεων βελόνας-όπως/όπως ράβδου-όπως δ-Ni3Nb. Αυτό υποδηλώνει ότι και τα δύο δείγματα HT1 και HT3 προκάλεσαν διαχωρισμό διάχυσης των στοιχείων (Ni, Nb, C, Mo) στην περιοχή 1, ένα φαινόμενο που συνάδει με τα αποτελέσματα των μετρήσεων επί τόπου στατιστικής κατανομής μετάλλων σε δείγματα απόθεσης και θερμικής επεξεργασίας με χρήση υψηλών ακτίνων X υψηλής ανάλυσης φασματοσκοπία.
Τα αποτελέσματα ανάλυσης πολλαπλών κλιμάκων επιβεβαιώνουν ότι ελέγχοντας τη διαλυτότητα της φάσης Laves μέσω της θερμοκρασίας του διαλύματος και ελέγχοντας τη μορφολογία της φάσης δ-Ni3Nb μέσω του χρόνου γήρανσης, μπορεί να επιτευχθεί η συνεργική βελτιστοποίηση της αντοχής και της πλαστικότητας των βαθμωτών υλικών. Αυτό παρέχει βασικές κατευθυντήριες αρχές της μηχανικής φάσης για την ανάπτυξη νέων διαδικασιών θερμικής επεξεργασίας βαθμίδωσης.
Η εξέλιξη της μικροδομής της Περιοχής 3 κάτω από διαφορετικά καθεστώτα θερμικής επεξεργασίας αποκαλύπτει την κινητική μετασχηματισμού φάσης που καθοδηγείται από το φαινόμενο σύζευξης της βαθμίδας σύνθεσης και της θερμικής ιστορίας. Συνοψίζεται ο μηχανισμός εξέλιξης μικροδομών διασταυρούμενης-κλίμακας αυτής της περιοχής και καθιερώνεται ο μηχανισμός συσχέτισης μεταξύ θερμικής επεξεργασίας, μηχανικής ορίων κόκκων και μηχανικών ιδιοτήτων. Υπό συνθήκες εναπόθεσης (AD), η κυρίαρχη περιοχή 316L- (Cr/Ni=1.82) ακολουθεί μια διαδρομή στερεοποίησης διπλής-φερρίτη-ωστενίτη (FA) διπλής-, σχηματίζοντας μια κυτταρική δενδριτική δομή. Μετά τη θερμική επεξεργασία HT1, ο λόγος Cr/Ni μειώνεται στο 1,35. Αυτός ο μετασχηματισμός σύνθεσης προάγει τη διαδρομή στερεοποίησης από μια-διπλή-ωστενίτη φερρίτη σε μια πλήρως ωστενιτική μονοφασική-δομή, μειώνοντας σημαντικά την περιεκτικότητα σε μεσοδενδρίτη φερρίτη. Η αναγνώριση φάσης επιβεβαιώνει αυτόν τον μετασχηματισμό: η φάση FCC είναι μια -μήτρα ωστενίτη, η φάση BCC είναι δ-φερρίτης και το Ni3Al αντιστοιχεί στη «φάση ιζήματος». Στην περιοχή 3 κυριαρχεί ο ωστενίτης, ο οποίος περιέχει μια μικρή ποσότητα διεσπαρμένου φερρίτη. Τα κλάσματα όγκου του φερρίτη που μετρήθηκαν με ποσοτική ανάλυση εικόνας ήταν 3,5% (AD), 0,7% (HT1), 0,2% (HT2), 1,5% (HT3) και 0,8% (HT4), αντίστοιχα, επιβεβαιώνοντας ότι η περιεκτικότητα σε φερρίτη σε όλες τις θερμικές{31} καταστάσεις ήταν χαμηλότερη από την κατάσταση που επεξεργάστηκε με θερμότητα.
Η έκθεση στη θερμότητα μετά την{0}}απόθεση προωθεί τη στατική ανακρυστάλλωση, οδηγώντας σε τραχύτητα των κόκκων και σημαντική μείωση της απόστασης δενδρίτη. Το συνεργιστικό αποτέλεσμα της βαθμίδας σύνθεσης είναι επίσης σημαντικό: κατά την κατεύθυνση σχηματισμού (περιεκτικότητα IN718 που αυξάνεται από 0 σε 100% κ.β.), ο μειούμενος ρυθμός τοπικής ψύξης προκαλεί σταδιακή τραχύτητα των βραχιόνων δενδρίτη. Το αποτιθέμενο δείγμα στην περιοχή 3 χαρακτηρίζεται από λεπτούς ισοαξονισμένους κόκκους, με ακόμη μικρότερα μεγέθη κόκκων (~8,4 μm) στον πυθμένα της δεξαμενής τήγματος λόγω της επανατήξης με λέιζερ. Αντίθετα, τα θερμικά επεξεργασμένα δείγματα-εμφανίζουν πιο ομοιόμορφη κατανομή μεγέθους κόκκων, αλλά η χονδροποίηση των κόκκων εμφανίζεται στην περιοχή 3 μετά τη θερμική επεξεργασία{11}}τα μέσα μεγέθη κόκκων των δειγμάτων HT1 και HT3 είναι 10,40 μm και 11,64 μm, αντίστοιχα. Αυτή η τραχύτητα αποδίδεται κυρίως στη συνεργιστική επίδραση της συσσώρευσης θερμότητας και του ρυθμού ψύξης: η περιοχή 3 βρίσκεται στο κάτω μέρος του υλικού βαθμίδωσης, με αποτέλεσμα λιγότερη συσσώρευση θερμότητας κατά τη διάρκεια της διαδικασίας SLM υψηλής{18}}ενέργειας και λεπτότερους αρχικούς κόκκους. ενώ η αργή διαδικασία ψύξης μετά τη θερμική επεξεργασία απόθεσης παρέχει επαρκή χρόνο για την ανάπτυξη των κόκκων. Επιπλέον, το δείγμα περιέχει συνεχείς στηλώδεις κρυστάλλους που διεισδύουν σε πολλαπλά στρώματα. Λόγω των χαρακτηριστικών ταχείας κατευθυντικής στερεοποίησης της διαδικασίας SLM, η κατεύθυνση ανάπτυξης των κόκκων είναι συνήθως συνεπής με την κατεύθυνση της μέγιστης διαβάθμισης θερμοκρασίας (δηλαδή, κάθετη στον πυθμένα της λιμωμένης λίμνης).
Η επεξεργασία διαλύματος μειώνει σημαντικά την αντοχή της υφής και βελτιώνει την ομοιομορφία, με το HT2 να παρουσιάζει το πιο σημαντικό αποτέλεσμα: η επεξεργασία διαλύματος 1040 μοιρών σε συνδυασμό με τη διπλή γήρανση προκαλεί σχηματισμό ορίων υποκόκκων, αυξάνοντας το ποσοστό των ορίων μικρών-γωνιακών κόκκων (LAGB) στο 39,1% (το υψηλότερο μεταξύ όλων των θερμικών επεξεργασιών). Αυτό βελτιώνει σημαντικά την ικανότητα συντονισμένης παραμόρφωσης πολλαπλών-κλιμακίων της δομής της κλίσης και προάγει την ισότροπη συμπεριφορά.
Η θερμική επεξεργασία μετά{0}}διαλύματος μειώνει σημαντικά την υπολειπόμενη τάση και προωθεί την ουσιαστική διάλυση της φάσης Laves (ο βαθμός διάλυσης αυξάνεται μονότονα με τη θερμοκρασία του διαλύματος). Το SLM υψηλής-απόδοσης βελτιώνει εγγενώς την αποτιθέμενη μικροδομή λόγω του υψηλού ρυθμού ψύξης του, αλλά η επακόλουθη θερμική επεξεργασία προκαλεί σημαντική τραχύτητα κόκκων. Σημειωτέον, μια μικρή ποσότητα φάσης δ-Ni3Nb παραμένει μετά την επεξεργασία διαλύματος στους 980 βαθμούς , υποδεικνύοντας ότι αυτή η θερμοκρασία είναι κάτω από τη γραμμή διαλύματος φάσης δ-Ni3Nb.
5.Ιδιότητες εφελκυσμού
Το εφελκυστικό κάταγμα συγκεντρώθηκε σχεδόν εξ ολοκλήρου στη μεταβατική ζώνη σύνθεσης μεταξύ των περιοχών 30% IN{718 + 70% 316L και 40% IN718 + 60% 316L, όπου ο στοιχειακός διαχωρισμός ήταν πιο έντονος. Η μόνη εξαίρεση συνέβη στην κατάσταση θερμικής-επεξεργασίας HT2, όπου το κάταγμα ξεκίνησε στην περιοχή 50% 316L + 50% IN718 και συνοδεύτηκε από σημαντικό λαιμό. Αυτά τα ευρήματα αποδεικνύουν ποσοτικά ότι οι διακυμάνσεις της κλίσης της σύνθεσης κυριαρχούν στη φέρουσα ικανότητα 316L/IN718 λειτουργικά διαβαθμισμένων υλικών (FGM).
Όταν η θερμοκρασία του διαλύματος είναι 1040 μοίρες, τόσο η αντοχή όσο και η πλαστικότητα του υλικού βελτιώνονται. Κάτω από μια θεραπεία γήρανσης, η διαδικασία HT1 βελτιώνει σημαντικά την αντοχή των λειτουργικά διαβαθμισμένων υλικών 316L/IN718 (FGMs) καλύτερα από το HT2, με ενισχυτικό αποτέλεσμα 6,58%. Το δείγμα που υποβλήθηκε σε επεξεργασία με HT2 έδειξε την πιο σημαντική αύξηση στην επιμήκυνση στη θερμοκρασία διαλύματος 1040 μοιρών, με αύξηση περίπου 62,99%.Αυτά τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι σε θερμοκρασία διαλύματος 1040 μοιρών, η απλή γήρανση ευνοεί περισσότερο τη βελτίωση της αντοχής, ενώ η διπλή γήρανση ευνοεί περισσότερο τη βελτίωση της πλαστικότητας.
Όταν η θερμοκρασία επεξεργασίας του διαλύματος πέσει στους 980 βαθμούς, η αντοχή του υλικού αυξάνεται (μεγαλύτερη με διπλή γήρανση και καλύτερη με απλή γήρανση), αλλά η πλαστικότητα μειώνεται σε σύγκριση με την εναποτιθέμενη κατάσταση.Η συνδυασμένη βελτίωση της αντοχής και της πλαστικότητας δείχνει ότι το HT2 είναι η βέλτιστη θερμική επεξεργασία για λειτουργικά διαβαθμισμένα υλικά 316L/IN718.
6.εν κατακλείδι
(1) Η θερμοκρασία του διαλύματος κυριαρχεί στη διαδρομή εξέλιξης φάσης, ενώ η επίδραση της γήρανσης είναι αμελητέα. Μια θερμοκρασία διαλύματος μεγαλύτερη ή ίση με 1040 μοίρες μπορεί να διαλύσει σημαντικά τη φάση Laves και να αναστείλει το σχηματισμό της φάσης δ-Ni3Nb, απελευθερώνοντας έτσι στοιχεία Nb για την επακόλουθη καθίζηση της φάσης ενίσχυσης ″/ ′, παρέχοντας την απαραίτητη προϋπόθεση για την επίτευξη καλής ισορροπίας μεταξύ αντοχής και πλαστικότητας.
(2)Οι μέθοδοι γήρανσης επιτρέπουν τον έλεγχο της αντοχής-της πλαστικότητας. Η διπλή γήρανση μετά από επεξεργασία διαλύματος στους 1040 βαθμούς μπορεί να αυξήσει την πλαστικότητα κατά περίπου 30% χωρίς να θυσιάζει την αντοχή, καθιστώντας το κατάλληλο για εφαρμογές υψηλής-πλαστικότητας. Αντίθετα, η επεξεργασία διαλύματος στους 980 μοίρες προκαλεί την καθίζηση φάσεων βελόνας-όπως δ-Ni3Nb κατά μήκος των ορίων των κόκκων. Αυτό οδηγεί σε σημαντική μείωση της πλαστικότητας τόσο σε απλή όσο και σε διπλή γήρανση, και ως εκ τούτου συνιστάται μόνο για εφαρμογές όπου κυριαρχεί ο ερπυσμός μεσαίας θερμοκρασίας.
(3)Τα εξαρτήματα διαβάθμισης απαιτούν στρατηγική "ομογενοποίησης υψηλής-θερμοκρασίας που ακολουθείται από χαμηλή-γήρανση θερμοκρασίας". Η ίδια η εμπλουτισμένη με IN718 περιοχή είναι πλούσια σε στοιχεία Nb και Mo, κάτι που απαιτεί προ{5}}επεξεργασία διαλύματος σε μεγαλύτερη ή ίση με 1040 μοίρες. Διαφορετικά, η επακόλουθη γήρανση σε χαμηλή-θερμοκρασία θα σχηματίσει μια συνεχή βελόνα-όπως το δίκτυο φάσης δ-Ni3Nb, με αποτέλεσμα μια απώλεια σκληρότητας δωματίου-μεγαλύτερη ή ίση με 40%. Αυτή η ακολουθία επεξεργασίας μπορεί να χρησιμεύσει ως γενική αρχή σχεδιασμού για τη θερμική επεξεργασία μετά από επιλεκτική τήξη με λέιζερ (SLM) παρόμοιων λειτουργικά διαβαθμισμένων υλικών (FGMs).
(4)Ο χαρακτηρισμός των υλικών με κλίση πρέπει να ακολουθεί μια διαδικασία τριών-κλειστών-βρόχων τριών σταδίων: Πρώτον, εκτελείται μακροσκοπική προ{3}}διαλογή εφελκυσμού για τον εντοπισμό διαφορών παρτίδας-σε-παρτίδας. Δεύτερον, οι χάρτες κατανομής πεδίων παραμόρφωσης ε(x) σχεδιάζονται χρησιμοποιώντας τεχνολογία συσχέτισης ψηφιακής εικόνας πλήρους-πεδίου (DIC) και οι συστατικές σχέσεις τοπικής τάσης-παραμόρφωσης (σ-ε) λαμβάνονται μέσω μηχανικών δοκιμών μικρο/νανο-κλίμακας. Τέλος, βαθμονομείται το δομικό μοντέλο κλίσης ενσωματωμένο με ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων (FEA). Αυτή η αλυσίδα επαλήθευσης μπορεί να αποσυνδέσει τη συνολική απόκριση σε χωρικά επιλυμένες επιτρεπόμενες τιμές σχεδιασμού, επιτρέποντας έτσι τη λεπτή ρύθμιση της διαδικασίας{11}}και την αξιολόγηση της αξιοπιστίας της υπηρεσίας.
