در مقایسه با رسوب انرژی جهت دار، ذوب لیزری انتخابی برای ساخت مواد درجه بندی شده عملکردی کمتر مورد مطالعه قرار گرفته است، و پنجره بعد از{0} پردازش نامشخص است.
محققان ما از فناوری SLM برای تهیه مواد درجه بندی عملکردی 316L/IN718 استفاده کردند و به طور سیستماتیک اثرات فرآیندهای عملیات حرارتی نماینده را بر تکامل فاز و خواص کششی ارزیابی کردند.
1. SLM تهیه مواد 316L/IN718 درجه بندی عملکردی
2. فرآیند عملیات حرارتی
بر اساس تجزیه و تحلیل شکل فوق، یک طرح عملیات حرارتی گرادیان طراحی شد. دو درجه حرارت محلول انتخاب شد: 980 درجه (زیر دمای محلول) و 1040 درجه (بالاتر از دمای محلول)، همراه با دو استراتژی پیری: پیری تک در 720 درجه و پیری دو برابر در 720 درجه + 620 درجه. بر این اساس، پنج مجموعه آزمایش کنترل تنظیم شد:
گروه AD (وضعیت رسوبی): در حالت آماده سازی اولیه خود نگهداری می شود.
گروه HT1: تیمار محلول 1040 درجه به مدت 1 ساعت (کوئنچ با آب) + 720 درجه تک مرحله ای برای 8 ساعت (خنک کننده با هوا);
گروه HT2: تیمار محلول 1040 درجه به مدت 1 ساعت (کوئنچ با آب) + 720 درجه پیری به مدت 8 ساعت و سپس پیری 620 درجه به مدت 8 ساعت (خنک کردن کوره).
گروه HT3: تیمار محلول 980 درجه به مدت 1 ساعت (کوئنچ با آب) + 720 درجه تکزنی به مدت 8 ساعت (خنک کردن هوا);
گروه HT4: تیمار محلول 980 درجه به مدت 1 ساعت (کوئنچ با آب) + 720 درجه پیری به مدت 8 ساعت و سپس پیری 620 درجه به مدت 8 ساعت (خنک کردن کوره).
3. تبدیل فاز پس از عملیات حرارتی
پنج مجموعه از الگوهای پراش پرتو ایکس- (XRD) در صفحه Y-Z تحت شرایط مختلف عملیات حرارتی، با مناطق آزمایشی که شامل: منطقه 1 (محتوای IN718 70-100٪)، منطقه 2 (محتوای IN718 40-70٪)، و منطقه 3 (محتوای IN718 0-30٪).
شدت اوج پراش تحت پنج شرایط عملیات حرارتی تفاوت معنی داری نشان نمی دهد. بازتاب براگ فاز آستنیتی-بهویژه قلههای قوی (111) و (200) صورت-ساختار مکعب مرکزی (FCC)-بر الگوی پراش غالب بود.
در نمونه تیمار شده با HT1{5}}از منطقه 1، شدت پیکهای (111) و (220) بیشتر از حالت رسوبشده (AD) بود. علاوه بر این، تمام گروه های عملیات حرارتی پیک پراش (311) را نشان دادند که نشان می دهد فاز تقویت کننده اضافی پس از عملیات حرارتی تشکیل شده است.
در شرایط HT1، پیک های پراش در ناحیه 2 گسترده تر و دارای شدت کمتری هستند، که نشان می دهد که پایداری فاز در این ناحیه ضعیف تر است.
در منطقه 3، شدت پیک (111) در نمونه تیمار شده با HT3 به طور قابل توجهی افزایش یافت. به طور قابل توجهی، فازهای "و" تقویت در الگوی XRD منطقه 1 شناسایی شدند. خنکسازی سریع در طول آمادهسازی SLM با توان بالا برای بارش فازهای "و" مناسب نیست، در حالی که عملیات حرارتی زمان کافی برای بارش این فازهای تقویتکننده فراهم میکند که افزایش شدت (200) و (200) و (2) پلان (200) و (2) و (200) و (2) و (200) و (2) پلان (200) و (2) نقطهای (200) و (2) را توضیح میدهد. اوج پس از عملیات حرارتی
پس از عملیات حرارتی با HT2 و HT4، (311) پیک پراش فازهای "و" نیز در الگوهای XRD شناسایی شد. با این حال، در مقایسه با پیک های پراش (311) پس از تیمار محلول و پیری منفرد، پیک های پراش پس از پیری مضاعف شدیدتر بودند، که نشان می دهد که فرآیند تشکیل دوگانه "پیری" را بیشتر تقویت می کند. شدت پیک های پراش فاز تقویتی به ویژه تحت شرایط تیمار HT2 قابل توجه بود، که نشان می دهد این عملیات حرارتی باعث افزایش بارندگی فازهای 'و' بیشتر می شود. انتظار می رود اثر بارش فاز تقویتی تأثیر مثبتی بر خواص مکانیکی حالت تیمار شده با HT2 داشته باشد. با این حال، جهت گیری کریستالی به طور قابل توجهی تغییر نکرد. جهت گیری ترجیحی مواد درجه بندی شده عملکردی 316L/IN718 را تغییر نداد.
4. ریزساختار پس از عملیات حرارتی
در شرایط رسوبی (AD)، فازهای زنجیره بلند{{0} Laves در منطقه 1 وجود دارد. به دلیل محتوای بالای IN718 در این منطقه، مقدار زیادی فاز غنی از Nb- در ناحیه بین دانهای با ترکیبی از (Ni، Fe، Cr)2 (Nb، Mo، Ti) رسوب میکند. تحت درمان HT1، بیشتر فاز Laves دچار انحلال و شکستگی می شود و فاز باقیمانده به مورفولوژی دانه ای تبدیل می شود. در تیمار HT3، فاز Laves نیز از طریق فرآیند انحلال به شکل دانهای تبدیل میشود که همراه با رسوب فازهای سوزنی-مانند/میله{10}}مانند δ-Ni3Nb است. این نشان میدهد که هر دو نمونه HT1 و HT3 جداسازی انتشار عناصر (Ni، Nb، C، Mo) را در ناحیه 1 القا کردند، پدیدهای که با نتایج اندازهگیریهای توزیع آماری در محل فلزات در نمونههای رسوبی و تیمار شده با حرارت{18} با استفاده از رزولوشن{000} اشعه X بالا{19} سازگار است. طیف سنجی
نتایج تجزیه و تحلیل چند مقیاسی تأیید می کند که با کنترل حلالیت فاز Laves از طریق دمای محلول و کنترل مورفولوژی فاز δ-Ni3Nb در طول زمان پیری، می توان به بهینه سازی هم افزایی استحکام و پلاستیسیته مواد گرادیان دست یافت. این اصول راهنمای مهندسی فاز کلیدی را برای توسعه فرآیندهای جدید عملیات حرارتی گرادیان فراهم می کند.
تکامل ریزساختار منطقه 3 تحت رژیمهای عملیات حرارتی مختلف، سینتیک تبدیل فاز را نشان میدهد که توسط اثر جفت شدن گرادیان ترکیبی و تاریخچه حرارتی هدایت میشود. مکانیسم تکامل ریزساختار متقاطع-این منطقه خلاصه میشود و مکانیسم همبستگی بین عملیات حرارتی، مهندسی مرز دانه و خواص مکانیکی ایجاد میشود. در شرایط رسوبی (AD)، ناحیه غالب 316L- (Cr/Ni=1.82) مسیر انجماد دو فازی-فریت-آستنیت (FA) را دنبال میکند و یک ساختار دندریتیک سلولی را تشکیل میدهد. پس از عملیات حرارتی HT1، نسبت کروم به نیکل به 1.35 کاهش می یابد. این دگرگونی ترکیبی مسیر انجماد را از-آستنیت دوفاز{13}}فریت به یک ساختار تک فازی کاملاً آستنیتی- ارتقا میدهد و محتوای فریت بین دندریتی را به میزان قابل توجهی کاهش میدهد. شناسایی فاز این تبدیل را تأیید می کند: فاز FCC یک ماتریس -آستنیت است، فاز BCC δ-فریت است، و Ni3Al مربوط به فاز رسوب است. منطقه 3 تحت سلطه آستنیت است که حاوی مقدار کمی فریت پراکنده است. کسر حجمی فریت که با تجزیه و تحلیل کمی تصویر اندازهگیری شد به ترتیب 3.5% (AD)، 0.7% (HT1)، 0.2% (HT2)، 1.5% (HT3) و 0.8% (HT4) بود که تأیید میکند که محتوای فریت در تمام حالتهای گرما{31} کمتر از حالتهای تیمار شده کمتر بود.
قرار گرفتن در معرض حرارت پس از رسوب{0}}تبلور مجدد ساکن را ترویج میکند که منجر به درشت شدن دانهها و کاهش قابل توجه فاصله دندریت میشود. اثر هم افزایی گرادیان ترکیبی نیز قابل توجه است: در امتداد جهت تشکیل (محتوای IN718 از 0 تا 100 درصد وزنی افزایش مییابد)، کاهش نرخ خنککننده موضعی باعث درشت شدن تدریجی بازوهای دندریتی میشود. نمونه تهنشینشده در منطقه 3 با دانههای هم محور ریز مشخص میشود، با دانههای حتی کوچکتر (~8.4 میکرومتر) در پایین حوضچه مذاب به دلیل ذوب مجدد لیزر. در مقابل، نمونههای تیمار شده با حرارت، توزیع اندازه دانه یکنواختتری از خود نشان میدهند، اما درشت شدن دانه در ناحیه 3 پس از عملیات حرارتی رخ میدهد{11}اندازه متوسط دانههای نمونههای HT1 و HT3 به ترتیب 10.40 میکرومتر و 11.64 میکرومتر است. این درشت شدن عمدتاً به اثر هم افزایی انباشت گرما و سرعت خنکسازی نسبت داده میشود: منطقه 3 در پایین ماده گرادیان قرار دارد که در نتیجه انباشت گرمای کمتر در طول فرآیند SLM با انرژی بالا و دانههای اولیه ریزتر میشود. در حالی که فرآیند خنک سازی آهسته پس از عملیات حرارتی رسوب گذاری زمان کافی برای رشد دانه فراهم می کند. علاوه بر این، نمونه حاوی کریستال های ستونی پیوسته است که به لایه های متعدد نفوذ می کنند. با توجه به ویژگی های انجماد جهتی سریع فرآیند SLM، جهت رشد دانه معمولاً با جهت حداکثر گرادیان دما (یعنی عمود بر کف حوضچه مذاب) سازگار است.
تیمار محلول به طور قابل توجهی استحکام بافت را کاهش می دهد و یکنواختی را بهبود می بخشد، با HT2 که مهمترین اثر را نشان می دهد: تیمار محلول 1040 درجه همراه با پیری مضاعف باعث تشکیل مرز زیردانه می شود و نسبت مرزهای دانه زاویه کوچک (LAGBs) را به 39.1٪ افزایش می دهد (بالاترین در بین تمام عملیات حرارتی). این قابلیت تغییر شکل هماهنگ چند مقیاس ساختار گرادیان را بسیار بهبود می بخشد و رفتار همسانگرد را ارتقا می دهد.
عملیات حرارتی پس از{0}}محلول به طور قابل توجهی تنش پسماند را کاهش می دهد و باعث انحلال قابل توجه فاز Laves می شود (درجه انحلال به طور یکنواخت با دمای محلول افزایش می یابد). SLM با کارآیی بالا ذاتاً ریزساختار رسوبشده را به دلیل سرعت خنککنندگی بالای آن اصلاح میکند، اما عملیات حرارتی بعدی باعث درشت شدن دانهها میشود. قابل ذکر است، مقدار کمی از فاز δ-Ni3Nb پس از تیمار محلول در 980 درجه باقی میماند، که نشان میدهد این دما زیر خط محلول فاز δ-Ni3Nb است.
5. خواص کششی
شکست کششی تقریباً به طور کامل در منطقه انتقال ترکیبی بین 30٪ IN718 + 70% 316L و 40% IN{718 + 60% 316L متمرکز بود، جایی که تفکیک عنصری بیشتر مشخص بود. تنها استثنا در حالت تیمار حرارتی HT2 رخ داد، جایی که شکستگی در ناحیه 50% 316L + 50% IN718 شروع شد و با گردن شدن قابل توجهی همراه بود. این یافتهها از نظر کمی نشان میدهند که تغییرات گرادیان ترکیبی بر ظرفیت تحمل بار 316L/IN718 مواد درجهبندی عملکردی (FGMs) غالب است.
هنگامی که دمای محلول 1040 درجه باشد، هم استحکام و هم انعطاف پذیری مواد بهبود می یابد. تحت درمان پیری تک، فرآیند HT1 به طور قابل توجهی استحکام مواد درجه بندی شده عملکردی 316L/IN718 (FGMs) را بهتر از HT2 با اثر تقویتی 6.58٪ بهبود می بخشد. نمونه تیمار شده با HT2 بیشترین افزایش ازدیاد طول را در دمای محلول 1040 درجه با افزایش تقریباً 99/62 درصد نشان داد.این نتایج نشان می دهد که در دمای محلول 1040 درجه، پیری منفرد برای بهبود استحکام بیشتر است، در حالی که پیری مضاعف برای بهبود انعطاف پذیری مساعدتر است.
هنگامی که دمای محلول به 980 درجه کاهش می یابد، استحکام مواد افزایش می یابد (با پیری مضاعف بیشتر و با پیری منفرد بهتر است)، اما انعطاف پذیری در مقایسه با حالت رسوب کاهش می یابد.بهبود ترکیبی در استحکام و انعطاف پذیری نشان می دهد که HT2 عملیات حرارتی بهینه برای مواد درجه بندی شده عملکردی 316L/IN718 است.
6.در نتیجه گیری
(1) دمای محلول بر مسیر تکامل فاز غالب است، در حالی که اثر پیری ناچیز است. دمای محلول بزرگتر یا مساوی 1040 درجه می تواند به طور قابل توجهی فاز Laves را حل کند و از تشکیل فاز δ-Ni3Nb جلوگیری کند، در نتیجه عناصر Nb را برای بارش بعدی فاز تقویت ″/' آزاد کند و پیش نیاز لازم برای به دست آوردن تعادل خوب بین استحکام و پلاستیسیته را فراهم کند.
(2) روشهای پیری امکان کنترل استحکام-خطپذیری را فراهم میکنند. پیری مضاعف پس از درمان با محلول در دمای 1040 درجه می تواند باعث افزایش انعطاف پذیری تقریباً 30٪ بدون کاهش استحکام شود، و آن را برای کاربردهای{5}}با انعطاف پذیری بالا مناسب می کند. برعکس، تیمار محلول در 980 درجه باعث رسوب فازهای سوزنی-مانند δ-Ni3Nb در امتداد مرزهای دانه میشود. این منجر به کاهش قابل توجهی در انعطاف پذیری در هر دو پیری یک و دو می شود، و بنابراین فقط برای برنامه هایی توصیه می شود که خزش دمای متوسط{11}}در آن غالب است.
(3) اجزای گرادیان به یک استراتژی "همگن سازی در دمای بالا و به دنبال آن پیری در دمای پایین" نیاز دارند. منطقه غنی شده با IN718 خود غنی از عناصر Nb و Mo است که نیاز به درمان قبل از محلول در دمای بیشتر یا برابر با 1040 درجه دارد. در غیر این صورت، پیری بعدی در دمای پایین، یک سوزن پیوسته-مانند شبکه فاز δ-Ni3Nb تشکیل میدهد که منجر به کاهش چقرمگی دمای اتاق{11}}بیشتر یا مساوی 40% میشود. این توالی تصفیه می تواند به عنوان یک اصل طراحی کلی برای عملیات حرارتی پس از ذوب لیزری انتخابی (SLM) مواد درجه بندی شده عملکردی مشابه (FGMs) عمل کند.
(4)مشخصات مواد گرادیان باید از یک فرآیند سه مرحلهای-حلقه بسته- پیروی کند: ابتدا، غربالگری کششی ماکروسکوپی قبل{3}}برای شناسایی تفاوتهای دسته-تا-بچ انجام میشود. دوم، نقشههای توزیع میدان کرنش ε(x) با استفاده از فناوری همبستگی تصویر دیجیتال میدانی کامل (DIC) رسم میشوند و روابط ساختاری تنش محلی-کرنش (σ-ε) از طریق آزمایشهای مکانیکی در مقیاس میکرو/نانو-بهدست میآیند. در نهایت، مدل ساختاری گرادیان تعبیه شده با تحلیل اجزای محدود (FEA) کالیبره شده است. این زنجیره راستیآزمایی میتواند پاسخ کلی را به مقادیر مجاز طراحی تفکیکشده مکانی جدا کند، در نتیجه تنظیم دقیق فرآیند و ارزیابی قابلیت اطمینان سرویس را ممکن میسازد.
