Sammenlignet med retningsbestemt energiavsetning har selektiv lasersmelting blitt mindre studert for fremstilling av funksjonelt graderte materialer, og vinduet etter-behandling er fortsatt uklart.
Våre forskere brukte SLM-teknologi for å fremstille 316L/IN718 funksjonelt graderte materialer og evaluerte systematisk effekten av representative varmebehandlingsprosesser på faseutvikling og strekkegenskaper
1.SLM-preparering av 316L/IN718 funksjonelt graderte materialer
2. Varmebehandlingsprosess
Basert på analysen av figuren ovenfor, ble det utformet en gradient varmebehandlingsordning. To løsningstemperaturer ble valgt: 980 grader (under løsningstemperaturen) og 1040 grader (over løsningstemperaturen), kombinert med to aldringsstrategier: enkel aldring ved 720 grader og dobbel aldring ved 720 grader + 620 grader . Basert på dette ble fem sett med kontrolleksperimenter satt opp:
AD-gruppe (avsatt tilstand): opprettholdes i sin opprinnelige forberedelsestilstand;
HT1-gruppe: 1040 graders løsningsbehandling i 1 time (vannslukking) + 720 grads enkel aldring i 8 timer (luftkjøling);
HT2-gruppe: 1040 graders løsningsbehandling i 1 time (vannslukking) + 720 graders aldring i 8 timer etterfulgt av 620 graders aldring i 8 timer (ovnskjøling);
HT3-gruppe: 980 graders løsningsbehandling i 1 time (vannslukking) + 720 graders enkel aldring i 8 timer (luftkjøling);
HT4-gruppe: 980 graders løsningsbehandling i 1 time (vannslukking) + 720 graders aldring i 8 timer etterfulgt av 620 graders aldring i 8 timer (ovnskjøling).
3. Fasetransformasjon etter varmebehandling
Fem sett med røntgendiffraksjonsmønstre (XRD) i Y-Z-planet under forskjellige varmebehandlingsforhold, med testområder som dekker: region 1 (IN718-innhold 70-100%), region 2 (IN718-innhold 40-70%) og region 3 (IN718-innhold 0-30%).
Diffraksjonstoppintensitetene under de fem varmebehandlingsforholdene viste ikke signifikante forskjeller; Bragg-refleksjonen av den austenittiske fasen-spesielt de sterke (111) og (200) toppene i den ansikts-sentrerte kubiske (FCC) strukturen-dominerte diffraksjonsmønsteret.
I den HT1-behandlede prøven fra region 1 var intensiteten til toppene (111) og (220) høyere enn de i den avsatte tilstanden (AD). I tillegg viste alle varmebehandlede grupper en diffraksjonstopp (311), noe som indikerer at en ytterligere forsterkende fase ble dannet etter varmebehandling.
Under HT1-forhold er diffraksjonstoppene i region 2 bredere og har lavere intensitet, noe som tyder på at fasestabiliteten i denne regionen er svakere.
I region 3 ble intensiteten av (111) toppen i den HT3-behandlede prøven betydelig forbedret. Spesielt ble ' og ' forsterkende faser oppdaget i XRD-mønsteret til region 1. Rask avkjøling under SLM-preparering med høy gjennomstrømning bidrar ikke til utfelling av ' og ' faser, mens varmebehandling gir tilstrekkelig tid for utfelling av disse forsterkningsfasene, noe som forklarer økningen i intensiteten til (200) og (220) (220) og (220) utseendet til cry-planen. topp etter varmebehandling.
Etter varmebehandling med HT2 og HT4 ble (311) diffraksjonstopper av '- og '-fasene også detektert i XRD-mønstrene. Sammenlignet med (311) diffraksjonstopper etter løsningsbehandling og enkel aldring, var imidlertid diffraksjonstoppene etter dobbeltaldring mer intense, noe som indikerer at den doble aldringsprosessen fremmer og ". Intensiteten til diffraksjonstoppene i forsterkningsfasen var spesielt signifikant under HT2-behandlingstilstanden, noe som indikerte at denne varmebehandlingen fremmet utfelling av flere '- og "-faser. Utfellingseffekten til forsterkningsfasen forventes å ha en positiv innvirkning på de mekaniske egenskapene til den HT2-behandlede tilstanden. Krystalltopp-orienteringen endret imidlertid ikke (11) den signifikante orienteringen til hovedbehandlingen (11). ikke endre den foretrukne orienteringen til 316L/IN718 funksjonelt gradert materiale.
4.Mikrostruktur etter varmebehandling
Under avsetningsforhold (AD) eksisterer det langkjedede Laves-faser i region 1. På grunn av det høye IN718-innholdet i denne regionen utfelles en stor mengde Nb-rik fase i den intergranulære regionen, med en sammensetning av (Ni, Fe, Cr)2(Nb, Mo, Ti). Under HT1-behandling gjennomgår det meste av Laves-fasen oppløsning og brudd, og restfasen forvandles til en granulær morfologi. Ved HT3-behandling forvandles Laves-fasen også til en granulær form gjennom en oppløsningsprosess, ledsaget av utfelling av nål-lignende/stav-lignende δ-Ni3Nb-faser. Dette indikerer at både HT1- og HT3-prøver induserte diffusjonssegregering av elementer (Ni, Nb, C, Mo) i region 1, et fenomen i samsvar med resultatene av in-situ statistiske distribusjonsmålinger av metaller i avsetnings- og varme-behandlede prøver ved bruk av høy-røntgenstråle{19}}fluorescerende{19}-fluorescerende{20}mikroskopisk fluoresc20}.
Multiskalaanalyseresultater bekrefter at ved å kontrollere løseligheten til Laves-fasen gjennom løsningstemperaturen og kontrollere morfologien til δ-Ni3Nb-fasen gjennom aldringstiden, kan en synergistisk optimalisering av styrke og plastisitet til gradientmaterialer oppnås. Dette gir veiledende prinsipper for nøkkelfaseteknikk for utvikling av nye gradientvarmebehandlingsprosesser.
Mikrostrukturutviklingen til Region 3 under forskjellige varmebehandlingsregimer avslører fasetransformasjonskinetikken drevet av koblingseffekten av komposisjonsgradient og termisk historie. Mikrostrukturutviklingsmekanismen på tvers av -skalaen i denne regionen er oppsummert, og korrelasjonsmekanismen mellom varmebehandling, korngrenseteknikk og mekaniske egenskaper er etablert. Under avsetningsforhold (AD) følger den 316L-dominante regionen (Cr/Ni=1.82) en ferritt-austenitt (FA) dobbel--fase størkningsbane, og danner en cellulær dendrittisk struktur. Etter HT1 varmebehandling synker Cr/Ni-forholdet til 1,35. Denne komposisjonstransformasjonen fremmer størkningsbanen fra en ferritt-austenittdobbel-fase til en fullstendig austenittisk enfasestruktur, noe som reduserer det interdendritiske ferrittinnholdet betydelig. Faseidentifikasjon bekrefter denne transformasjonen: FCC-fasen er en -austenittmatrise, BCC-fasen er δ-ferritt, og Ni3Al tilsvarer 'utfellingsfasen. Region 3 er dominert av austenitt, som inneholder en liten mengde dispergert ferritt. Volumfraksjonene av ferritt målt ved kvantitativ bildeanalyse var henholdsvis 3,5 % (AD), 0,7 % (HT1), 0,2 % (HT2), 1,5 % (HT3) og 0,8 % (HT4), noe som bekrefter at ferrittinnholdet i alle varme-behandlede tilstander var lavere enn i avsetningen.
Varmeeksponering etter-avsetning fremmer statisk rekrystallisering, noe som fører til forgrovning av korn og en betydelig reduksjon i dendritmellomrom. Den synergistiske effekten av komposisjonsgradienten er også betydelig: langs formingsretningen (IN718-innhold øker fra 0 til 100 vekt%), induserer den avtagende lokale kjølehastigheten gradvis forgrovning av dendritarmene. Den avsatte prøven i region 3 er preget av fine likeaksede korn, med enda mindre kornstørrelser (~8,4 μm) i bunnen av smeltebassenget på grunn av laseromsmelting. I motsetning til dette viser de varme-prøvene en mer jevn kornstørrelsesfordeling, men kornforgrovning skjer i region 3 etter varmebehandling. Denne forgrovningen tilskrives hovedsakelig den synergistiske effekten av varmeakkumulering og avkjølingshastighet: område 3 er plassert i bunnen av gradientmaterialet, noe som resulterer i mindre varmeakkumulering under SLM-prosessen med høy-energi og finere innledende korn; mens den langsomme avkjølingsprosessen etter avsetningsvarmebehandling gir tilstrekkelig tid for kornvekst. I tillegg inneholder prøven kontinuerlige søylekrystaller som trenger gjennom flere lag. På grunn av de raske retningsbestemte størkningsegenskapene til SLM-prosessen, er kornvekstretningen vanligvis konsistent med retningen til maksimal temperaturgradient (dvs. vinkelrett på bunnen av det smeltede bassenget).
Løsningsbehandling reduserer teksturstyrken betydelig og forbedrer jevnheten, med HT2 som viser den mest signifikante effekten: 1040 graders løsningsbehandling kombinert med dobbel aldring induserer dannelse av underkornsgrenser, noe som øker andelen små-vinkelkorngrenser (LAGB) til 39,1 % (den høyeste blant alle varmebehandlinger). Dette forbedrer den multi-skalakoordinerte deformasjonsevnen til gradientstrukturen og fremmer isotrop oppførsel.
Varmebehandling etter-oppløsning reduserer gjenværende stress betydelig og fremmer betydelig oppløsning av Laves-fasen (oppløsningsgraden øker monotont med oppløsningstemperaturen); høy-gjennomstrømning SLM forfiner iboende den avsatte mikrostrukturen på grunn av dens høye kjølehastighet, men påfølgende varmebehandling induserer betydelig korngrovning. Spesielt er det en liten mengde δ-Ni3Nb-fase igjen etter løsningsbehandling ved 980 grader, noe som indikerer at denne temperaturen er under δ-Ni3Nb-faseløsningslinjen.
5.Strekkegenskaper
Strekkbrudd var nesten helt konsentrert i den komposisjonelle overgangssonen mellom 30 % IN718 + 70% 316L og 40% IN718 + 60% 316L-regionene, der elementær segregering var mest uttalt. Det eneste unntaket skjedde i den HT2-varme-behandlede tilstanden, hvor brudd startet ved 50 % 316L + 50% IN718-regionen og ble ledsaget av betydelig innsnevring. Disse funnene viser kvantitativt at variasjoner i komposisjonsgradienter dominerer bæreevnen til 316L/IN718 funksjonelt graderte materialer (FGM).
Når løsningstemperaturen er 1040 grader, forbedres både styrken og plastisiteten til materialet. Under enkel aldringsbehandling forbedrer HT1-prosessen styrken til 316L/IN718 funksjonelt graderte materialer (FGMs) betydelig bedre enn HT2, med en styrkende effekt på 6,58 %. Prøven behandlet med HT2 viste den mest signifikante økningen i forlengelse ved 1040 graders løsningstemperatur, med en økning på ca. 62,99 %.Disse resultatene indikerer at ved 1040 graders løsningstemperatur er enkel aldring mer gunstig for styrkeforbedring, mens dobbel aldring er mer gunstig for plastisitetsforbedring.
Når løsningsbehandlingstemperaturen synker til 980 grader, øker materialstyrken (høyere ved dobbel aldring og bedre ved enkel aldring), men plastisiteten avtar sammenlignet med avsatt tilstand.Den kombinerte forbedringen i styrke og plastisitet indikerer at HT2 er den optimale varmebehandlingen for 316L/IN718 funksjonelt graderte materialer.
6.avslutningsvis
(1) Løsningstemperaturen dominerer faseutviklingsbanen, mens effekten av aldring er ubetydelig. En løsningstemperatur større enn eller lik 1040 grader kan i betydelig grad oppløse Laves-fasen og hemme dannelsen av δ-Ni3Nb-fasen, og dermed frigjøre Nb-elementer for den påfølgende utfellingen av ″/′-forsterkningsfasen, noe som gir en nødvendig forutsetning for å oppnå en god balanse mellom styrke og plastisitet.
(2) Aldringsmetoder gir mulighet for styrke-plastisitetskontroll. Dobbel aldring etter løsningsbehandling ved 1040 grader kan øke plastisiteten med omtrent 30 % uten å ofre styrken, noe som gjør den egnet for bruk med høy-plastisitet. Motsatt induserer løsningsbehandling ved 980 grader utfelling av nål-som δ-Ni3Nb-faser langs korngrensene; dette fører til en betydelig reduksjon i plastisitet under både enkel og dobbel aldring, og anbefales derfor kun for bruksområder der kryp med middels{11}}temperatur er dominerende.
(3) Gradientkomponenter krever en "høy-temperaturhomogenisering etterfulgt av lav-temperaturaldringsstrategi. Den IN718-anrikede regionen i seg selv er rik på Nb- og Mo-elementer, noe som krever for-løsningsbehandling ved større enn eller lik 1040 grader; ellers vil påfølgende lav-temperaturaldring danne en kontinuerlig nål-som δ-Ni3Nb-fasenettverk, noe som resulterer i et seighetstap- i romtemperatur på mer enn eller lik 40 %. Denne behandlingssekvensen kan tjene som et generelt designprinsipp for varmebehandlingen etter selektiv lasersmelting (SLM) av lignende funksjonelt graderte materialer (FGM).
(4)Karakteriseringen av gradientmaterialer bør følge en tre-trinns lukket-sløyfeprosess: Først utføres makroskopisk strekkpre-screening for å identifisere batch-til-batchforskjeller; for det andre plottes strain field distribution maps ε(x) ved bruk av full-field digital image correlation (DIC) teknologi, og lokale spennings-strain (σ-ε) konstitutive relasjoner oppnås gjennom mikro/nano-skala mekanisk testing; til slutt kalibreres den konstitutive gradientmodellen innebygd med finitt elementanalyse (FEA). Denne bekreftelseskjeden kan koble fra den generelle responsen til romlig løste designtillatte verdier, og dermed muliggjøre finjustering av prosessen og vurdering av tjenestepålitelighet.
