V primerjavi z usmerjenim nanašanjem energije je bilo selektivno lasersko taljenje manj raziskano za izdelavo funkcionalno razvrščenih materialov, okno naknadne-obdelave pa ostaja nejasno.
Naši raziskovalci so uporabili tehnologijo SLM za pripravo funkcionalno razvrščenih materialov 316L/IN718 in sistematično ovrednotili učinke reprezentativnih procesov toplotne obdelave na fazni razvoj in natezne lastnosti
1.SLM priprava 316L/IN718 funkcionalno razvrščenih materialov
2. Postopek toplotne obdelave
Na podlagi analize zgornje slike je bila zasnovana shema gradientne toplotne obdelave. Izbrani sta bili dve temperaturi raztopine: 980 stopinj (pod temperaturo raztopine) in 1040 stopinj (nad temperaturo raztopine), v kombinaciji z dvema strategijama staranja: enkratno staranje pri 720 stopinjah in dvojno staranje pri 720 stopinjah + 620 stopinj. Na podlagi tega je bilo postavljenih pet sklopov kontrolnih poskusov:
AD skupina (deponirano stanje): ohranjena v prvotnem stanju priprave;
Skupina HT1: obdelava z raztopino 1040 stopinj 1 uro (kaljenje z vodo) + 720 stopnja enkratnega staranja 8 ur (zračno hlajenje);
Skupina HT2: obdelava raztopine pri 1040 stopinjah 1 uro (kaljenje z vodo) + 720 stopinjsko staranje 8 ur, ki mu sledi staranje pri 620 stopinjah 8 ur (hlajenje v peči);
Skupina HT3: obdelava z raztopino 980 stopinj 1 uro (kaljenje z vodo) + 720 stopnja enkratnega staranja 8 ur (zračno hlajenje);
Skupina HT4: obdelava z raztopino pri 980 stopinjah 1 uro (kaljenje z vodo) + 720 stopinjsko staranje 8 ur, ki mu sledi staranje pri 620 stopinjah 8 ur (hlajenje v peči).
3.Fazna transformacija po toplotni obdelavi
Pet nizov vzorcev rentgenske difrakcije (XRD) v ravnini Y-Z pod različnimi pogoji toplotne obdelave, s testnimi območji, ki pokrivajo: območje 1 (vsebnost IN718 70–100 %), območje 2 (vsebnost IN718 40–70 %) in območje 3 (vsebnost IN718 0–30 %).
Intenzivnosti difrakcijskih vrhov pri petih pogojih toplotne obdelave niso pokazale pomembnih razlik; Braggov odboj avstenitne faze-zlasti močni (111) in (200) vrhovi čelne{3}}kubične (FCC) strukture-prevladujejo v uklonskem vzorcu.
V vzorcu, obdelanem s HT1- iz regije 1, sta bili intenziteti vrhov (111) in (220) višji od intenzivnosti naloženega stanja (AD). Poleg tega so vse toplotno obdelane skupine pokazale difrakcijski vrh (311), kar kaže, da je po toplotni obdelavi nastala dodatna ojačitvena faza.
Pod pogoji HT1 so uklonski vrhovi v regiji 2 širši in imajo nižjo intenziteto, kar kaže, da je fazna stabilnost v tej regiji šibkejša.
V regiji 3 je bila intenzivnost vrha (111) v vzorcu, obdelanem s HT3-, znatno povečana. Predvsem sta bili ' in " fazi ojačitve odkriti v XRD vzorcu regije 1. Hitro ohlajanje med visoko zmogljivo pripravo SLM ne vodi k obarjanju faz ' in ", medtem ko toplotna obdelava zagotavlja dovolj časa za obarjanje teh faz ojačevanja, kar pojasnjuje povečanje intenzivnosti vrhov kristalne ravnine (200) in (220) in pojav vrha (311) po segrevanju zdravljenje.
Po toplotni obdelavi s HT2 in HT4 so bili v vzorcih XRD odkriti tudi (311) uklonski vrhovi ' in " faz. Vendar so bili uklonski vrhovi po dvojnem staranju v primerjavi z (311) uklonskimi vrhovi po obdelavi z raztopino in enkratnim staranjem intenzivnejši, kar kaže, da je postopek dvojnega staranja dodatno spodbudil nastanek ' in " faz krepitve. Intenzivnost difrakcijskih vrhov krepitvene faze je bila še posebej pomembna v pogojih obdelave HT2, kar kaže, da je ta toplotna obdelava spodbudila izločanje več ' in " faz. Pričakuje se, da bo učinek obarjanja faze ojačitve pozitivno vplival na mehanske lastnosti stanja, obdelanega s HT2. Vendar se kristalna orientacija glavnega vrha (111) ni bistveno spremenila, kar kaže, da toplotna obdelava ni spremenila prednostne usmerjenost funkcionalno razvrščenega materiala 316L/IN718.
4.Mikrostruktura po toplotni obdelavi
V pogojih usedanja (AD) v območju 1 obstajajo dolgo{0}}verižne Lavesove faze. Zaradi visoke vsebnosti IN718 v tem območju se v medzrnskem območju izloča velika količina faze, bogate z Nb-, s sestavo (Ni, Fe, Cr)2(Nb, Mo, Ti). Pri zdravljenju s HT1 se večina Lavesove faze raztopi in zlomi, preostala faza pa se spremeni v zrnato morfologijo. Pri obdelavi HT3 se tudi Lavesova faza spremeni v zrnato obliko s postopkom raztapljanja, ki ga spremlja obarjanje igličastih/paličastih-podobnih δ-Ni3Nb faz. To kaže, da sta vzorca HT1 in HT3 povzročila difuzijsko segregacijo elementov (Ni, Nb, C, Mo) v regiji 1, kar je pojav, ki je skladen z rezultati-in situ meritev statistične porazdelitve kovin v vzorcih, obdelanih z usedanjem in toplotno{18}}obdelanih z uporabo fluorescence rentgenskih{-žarkov z mikrožarki visoke{19}}ločljivosti spektroskopija.
Rezultati večstopenjske analize potrjujejo, da je mogoče z nadzorom topnosti Lavesove faze prek temperature raztopine in nadzorom morfologije faze δ-Ni3Nb skozi čas staranja doseči sinergistično optimizacijo trdnosti in plastičnosti gradientnih materialov. To zagotavlja vodilna načela inženiringa ključnih faz za razvoj novih procesov gradientne toplotne obdelave.
Razvoj mikrostrukture regije 3 pod različnimi režimi toplotne obdelave razkriva kinetiko fazne transformacije, ki jo poganja učinek spajanja kompozicijskega gradienta in termične zgodovine. Povzet je-mehanizem evolucije mikrostrukture v tem območju in vzpostavljen je korelacijski mehanizem med toplotno obdelavo, mejnim inženiringom zrn in mehanskimi lastnostmi. V pogojih usedanja (AD) prevladujoče območje 316L- (Cr/Ni=1.82) sledi dvofazni-fazni strjevalni poti ferit-avstenita (FA) in tvori celično dendritično strukturo. Po toplotni obdelavi HT1 se razmerje Cr/Ni zmanjša na 1,35. Ta kompozicijska transformacija spodbuja pot strjevanja iz ferit-avstenitne dvojne-faze v popolnoma avstenitno eno-fazno strukturo, kar znatno zmanjša vsebnost interdendritičnega ferita. Identifikacija faze potrjuje to transformacijo: FCC faza je -avstenitna matrika, BCC faza je δ-ferit, Ni3Al pa ustreza 'oborinski fazi. V območju 3 prevladuje avstenit, ki vsebuje majhno količino razpršenega ferita. Volumski deleži ferita, izmerjeni s kvantitativno analizo slike, so bili 3,5 % (AD), 0,7 % (HT1), 0,2 % (HT2), 1,5 % (HT3) oziroma 0,8 % (HT4), kar potrjuje, da je bila vsebnost ferita v vseh toplotno -obdelanih stanjih nižja kot v nanesenem stanju.
Izpostavljenost toploti po-nanašanju pospešuje statično rekristalizacijo, kar vodi do zgostitve zrn in znatnega zmanjšanja razmika med dendriti. Pomemben je tudi sinergistični učinek gradienta sestave: vzdolž smeri oblikovanja (vsebnost IN718, ki se poveča od 0 do 100 mas. %), padajoča lokalna hitrost hlajenja povzroči postopno grobljenje dendritnih krakov. Za odložen vzorec v območju 3 so značilna fina enakoosna zrna, s še manjšimi velikostmi zrn (~8,4 μm) na dnu bazena taline zaradi laserskega ponovnega taljenja. V nasprotju s tem imajo toplotno-obdelani vzorci enakomernejšo porazdelitev velikosti zrn, vendar se po toplotni obdelavi v območju 3 pojavi zrnjenje-povprečna velikost zrn vzorcev HT1 in HT3 je 10,40 μm oziroma 11,64 μm. To grobost se v glavnem pripisuje sinergističnemu učinku akumulacije toplote in hitrosti hlajenja: območje 3 se nahaja na dnu gradientnega materiala, kar ima za posledico manjšo akumulacijo toplote med visoko{18}}energijskim postopkom SLM in finejša začetna zrna; medtem ko počasen proces ohlajanja po toplotni obdelavi nanosa zagotavlja dovolj časa za rast zrn. Poleg tega vzorec vsebuje neprekinjene stebraste kristale, ki prodrejo skozi več plasti. Zaradi značilnosti hitrega usmerjenega strjevanja postopka SLM je smer rasti zrn običajno skladna s smerjo največjega temperaturnega gradienta (tj. pravokotno na dno bazena staline).
Obdelava z raztopino znatno zmanjša trdnost teksture in izboljša enakomernost, pri čemer HT2 kaže najpomembnejši učinek: obdelava z raztopino 1040 stopinj v kombinaciji z dvojnim staranjem povzroči nastanek meja podzrna, s čimer se poveča delež meja zrna z majhnim-kotom (LAGB) na 39,1 % (najvišje med vsemi toplotnimi obdelavami). To močno izboljša zmožnost več-koordinirane deformacije gradientne strukture in spodbuja izotropno obnašanje.
Toplotna obdelava po-raztopini bistveno zmanjša preostale napetosti in spodbuja znatno raztapljanje Lavesove faze (stopnja raztapljanja monotono narašča s temperaturo raztopine); SLM z visoko-prepustnostjo sam po sebi izpopolni naneseno mikrostrukturo zaradi svoje visoke hitrosti hlajenja, vendar poznejša toplotna obdelava povzroči znatno grobljenje zrn. Predvsem majhna količina faze δ-Ni3Nb ostane po obdelavi raztopine pri 980 stopinjah, kar kaže, da je ta temperatura pod linijo raztopine faze δ-Ni3Nb.
5. Natezne lastnosti
Natezni lom je bil skoraj v celoti skoncentriran v prehodnem območju kompozicije med regijama 30% IN718 + 70% 316L in 40% IN718 + 60% 316L, kjer je bila segregacija elementov najbolj izrazita. Edina izjema se je zgodila v stanju toplotne -obdelave HT2, kjer se je zlom začel na območju 50 % 316L + 50 % IN718 in ga je spremljalo precejšnje upogibanje. Te ugotovitve kvantitativno kažejo, da variacije gradienta sestave prevladujejo nad-nosilnostjo 316L/IN718 funkcionalno razvrščenih materialov (FGM).
Ko je temperatura raztopine 1040 stopinj, se izboljšata trdnost in plastičnost materiala. Pri obdelavi z enkratnim staranjem postopek HT1 bistveno izboljša trdnost 316L/IN718 funkcionalno razvrščenih materialov (FGM) bolje kot HT2, z učinkom utrjevanja 6,58 %. Vzorec, obdelan s HT2, je pokazal najpomembnejše povečanje raztezka pri temperaturi raztopine 1040 stopinj, s povečanjem za približno 62,99 %.Ti rezultati kažejo, da je pri temperaturi raztopine 1040 stopinj enkratno staranje bolj ugodno za izboljšanje trdnosti, medtem ko je dvojno staranje bolj ugodno za izboljšanje plastičnosti.
Ko temperatura obdelave z raztopino pade na 980 stopinj, se trdnost materiala poveča (višja pri dvojnem staranju in boljša pri enkratnem staranju), vendar se plastičnost zmanjša v primerjavi z deponiranim stanjem.Kombinirano izboljšanje trdnosti in plastičnosti kaže, da je HT2 optimalna toplotna obdelava za 316L/IN718 funkcionalno razvrščene materiale.
6.v zaključku
(1) Temperatura raztopine prevladuje na poti razvoja faze, medtem ko je učinek staranja zanemarljiv. Temperatura raztopine, višja od ali enaka 1040 stopinj, lahko znatno raztopi Lavesovo fazo in zavira nastanek faze δ-Ni3Nb, s čimer se sprostijo elementi Nb za kasnejšo precipitacijo ″/′ faze ojačitve, kar zagotavlja nujen predpogoj za doseganje dobrega ravnovesja med trdnostjo in plastičnostjo.
(2)Metode staranja omogočajo-nadzor trdnosti plastičnosti. Dvojno staranje po obdelavi z raztopino pri 1040 stopinjah lahko poveča plastičnost za približno 30 % brez žrtvovanja trdnosti, zaradi česar je primeren za visoko-plastične aplikacije. Nasprotno pa obdelava raztopine pri 980 stopinjah povzroči izločanje igličastih-faz δ-Ni3Nb vzdolž meja zrn; to vodi do znatnega zmanjšanja plastičnosti pri enkratnem in dvojnem staranju, zato je priporočljivo le za aplikacije, kjer prevladuje srednje{11}}temperaturno lezenje.
(3)Komponente gradienta zahtevajo strategijo »viso-temperaturne homogenizacije, ki ji sledi nizko-temperaturno staranje«. Območje, obogateno z IN718, je samo po sebi bogato z elementi Nb in Mo, kar zahteva obdelavo pred-raztopine pri večji ali enaki 1040 stopinjah; v nasprotnem primeru bo naknadno nizko{7}}temperaturno staranje oblikovalo neprekinjeno igličasto-podobno δ-Ni3Nb fazno mrežo, kar bo povzročilo izgubo žilavosti pri sobni-temperaturi večjo ali enako 40 %. To zaporedje obdelave lahko služi kot splošno načelo načrtovanja za toplotno obdelavo po selektivnem laserskem taljenju (SLM) podobnih funkcionalno razvrščenih materialov (FGM).
(4) Karakterizacija gradientnih materialov mora slediti tri{1}}stopenjskim-postopkom zaprte zanke: najprej se izvede makroskopsko natezno predhodno-preverjanje, da se ugotovijo razlike med--serijami; drugič, zemljevidi porazdelitve deformacijskega polja ε(x) so narisani s tehnologijo korelacije digitalne slike s polnim-poljem (DIC), konstitutivna razmerja lokalne napetosti-deformacije (σ-ε) pa so pridobljena z mehanskim testiranjem v mikro/nano-razmeri; končno je umerjen gradientni konstitutivni model, ki je vgrajen z analizo končnih elementov (FEA). Ta veriga preverjanja lahko loči celoten odziv na prostorsko določene dopustne vrednosti zasnove, s čimer omogoči fino{11}}nastavitev procesa in oceno zanesljivosti storitve.
