Termilise tsükli mõju lisandina valmistatud titaanisulamite liidese stabiilsusele
Sissejuhatus lisaainete tootmises kasutatavasse termotsüklisse
Titaanisulamite lisatootmine (AM) hõlmab ainulaadset termilist ajalugu, mida iseloomustab kiire tahkumine ja korduv termiline tsükkel järjestikuse kihi sadestamise ajal. Erinevalt tavapärasest sepistatud töötlemisest läbib iga ladestunud kiht mitu soojendamis- ja jahutustsüklit, kui sellele ehitatakse järgnevad kihid, luues keerukaid termilisi ringe, mis mõjutavad põhjalikult mikrostruktuuri arengut ja liidese stabiilsust.
Liideste mikrostruktuuride moodustumine
In Ti-6Al-4V produced by wire arc additive manufacturing (WAAM), the as-built microstructure typically consists of coarse prior β grains filled with aligned α-lath colonies, formed during the β→α transformation upon cooling. The repeated thermal cycling during deposition produces a high fraction of high-angle grain boundaries (HAGBs, >15 kraadi) ja loob piki -liistu piire nanomõõtmelisi filme. Need vanaadiumiga (-stabiliseeriv element) rikastatud kiled moodustavad koherentsed / liidesed, mis takistavad tõhusalt dislokatsiooni liikumist ja aitavad oluliselt kaasa sulami suurele tugevusele.
Termilise jalgrattasõidu mõju liidese stabiilsusele
1. Liidese liikumine ja lahustunud aine ümberjaotamine
Termo-mehaanilise tsükli ajal 400–700 kraadi vahel näitab / liides dünaamilist liikumist, mida juhib lahustunud aine ümberjaotumine. Sünkrotronkiirguse uuringud on näidanud, et korduvad termilised kõikumised põhjustavad:
(110) piigi võre tüve suurenemine ja võre parameetri laienemine kuni a=3.22 Å
Faasifraktsiooni suurenemine ligikaudu 3,5% ± 0,01%ni
Dünaamilised muutused vanaadiumi kontsentratsiooniprofiilides liideses /
Aatomisondi tomograafia kinnitab, et vanaadiumi kontsentratsioon faasikeskme piirkonnas jõuab 22, 4 ± 0, 19 at %, kusjuures V kontsentratsiooni profiil muutub dünaamiliselt, kui liides liigub faasi stabiilsuse säilitamiseks edasi-tagasi. Difusiooni-põhine kineetiline modelleerimine (DICTRA) näitab, et / liidese liikumine muutub oluliselt tugevamaks, kui HCP-faasi sisestatakse salvestatud energia erinevused 400–500 J/mol, mis toetab dünaamilise liidese käitumise eksperimentaalset jälgimist termilise tsükli ajal.
2. Temperatuurist{1}}sõltuv liidese halvenemine
AM Ti-6Al-4V liideste stabiilsus sõltub tugevalt temperatuurist:
500 kraadi ja alla selle:/ liidesed jäävad suhteliselt teravaks ja stabiilseks. Nano-kilekihid säilitavad oma liidese sidususe, toimides jätkuvalt tõhusa libisemistõkkena. Mikrostruktuuri reguleerib peamiselt termiliselt aktiveeritud taastumine, kusjuures domineeriv deformatsioonimehhanism on paindumine.
Üle 700 kraadi:Toimub ulatuslik liidese lagunemine, mida iseloomustavad:
-lamelli killustumine ja tugev paindumine
-faasi tungimine mööda äsja moodustatud / piire, purustades algselt pidevad vahekihid
Liidese sidususe kaotus piiride migratsiooni ja taastumisprotsesside tõttu
Kiirendatud dünaamiline ümberkristalliseerimine (nii katkendlik DDRX kui ka pidev CDRX) tuumade moodustumine mõjutatud piirkondades{0}}
See nano-kile kihtide temperatuurist sõltuv -sõltuv destabiliseerimine hõlbustab libisemist ja lokaalset deformatsiooni kohandamist, mis toob kaasa voolu kiire pehmenemise ja mehaanilise jõudluse olulise vähenemise.
3. Martensiidi lahustumine ja faasimuutused
Termiline tsükkel mõjutab ka kiire tahkumise käigus tekkivate mittetasakaalufaaside stabiilsust. Martensiit (m), mis tekib AM-protsessides kiirel jahutamisel, hakkab lahustuma juba 350–400 kraadi juures. Järgmiste termiliste tsüklite ajal uuesti kuumutamisel muutub m stabiilsemateks + struktuurideks. See lahustumine on aeglane difusioonikontrollitud protsess, mis muudab kohaliku liidese keemiat ja mikrostruktuuri stabiilsust veelgi.
Mikrostruktuurilised evolutsioonimehhanismid
HAGB-de suur osa AM Ti-6Al-4V-s (ligikaudu 80,8% kogupiiridest) mängib liidese stabiilsuses termilise tsükli korral kriitilist rolli:
HAGB-id kui dislokatsiooniallikad ja valamud:Rikkalikud HAGB-d soodustavad piiride punnitamist ja migratsiooni, alandades tuumade moodustumise barjääri katkendliku dünaamilise ümberkristallimise (DDRX) jaoks.
Täiustatud piiride liikuvus:Mõjutatud{0}}piirkondades hõlbustab lokaalne ebastabiilsus DDRX-i tuuma moodustumist, kiirendades algse lamellstruktuuri lagunemist
Kontrast sepistatud sulamitele:Sepistatud Ti-6Al-4V sisaldab palju suuremat osa madala nurga all olevaid terapiire (LAGB), mis piiravad piiride liikuvust ja eelistavad pigem järkjärgulist subgrain rotatsiooni (CDRX) kui liidese kiiret destabiliseerimist.
700 kraadi juures vähendab termiliselt aktiveeritud piiride migratsioon ja dislokatsiooni tõus veelgi DDRX-i tuumade moodustumise barjääri HAGB-rikaste AM-mikrostruktuuride puhul, samas kui CDRX jääb LAGB-juhitava struktuuriga sepistatud sulamite esmaseks ümberkristallimise rajaks.
Mõju teenuse jõudlusele
Termilise tsükli -indutseeritud liidese ebastabiilsus avaldab märkimisväärset mõju AM-titaanisulamite usaldusväärsele kasutamisele kõrgel temperatuuril{1}}.
Tugevuse säilitamine:Kui AM Ti-6Al-4V-l on toa- ja vahetemperatuuril (300–500 kraadi) suurepärane survejõu voolavuspiir tänu oma peenliistudele ja stabiilsele/liidestele, väheneb selle termiline stabiilsus liidese kiire lagunemise ja pehmenemise tõttu oluliselt üle 700 kraadi.
Väsimuse jõudlus:Koherentsete / liideste lagunemine ja ümberkristalliseerunud terade moodustumine võib luua kohti pragude tekkeks ja levimiseks, mis võib kahjustada väsimuse eluiga.
Roomamiskindlus:Kõrge HAGB-fraktsioon ja lokaliseeritud dislokatsiooni akumuleerumine -liistu piiridel, mis oli algselt kasulik roomamiskindluse jaoks, muutuvad destabiliseerituks, kuna liidesed kaotavad termilise tsükli mõjul sidususe.
Leevendusstrateegiad
Liidese stabiilsuse suurendamiseks termilise tsükli tingimustes uuritakse mitmeid lähenemisviise:
Pärast-ehituse kuumtöötlust:Kontrollitud termiline töötlemine võib stabiliseerida mikrostruktuuri, homogeniseerides lahustunud aine jaotuse ja vähendades termilise tsükli jääkpingeid
Protsessi parameetrite optimeerimine:Sadestamise strateegiate (nt ooteaeg, tee planeerimine) kohandamine, et saavutada ühtlasem soojusajalugu ja pärssida liigset uuesti kuumenemist, mille tulemuseks on peenemad ja stabiilsemad -liistu struktuurid
Termomehaaniline töötlemine:AM-i kombineerimine in{0}}situ sepistamise või kihtidevahelise deformatsiooniga, et täpsustada terastruktuuri ja parandada liidese stabiilsust
Järeldus
Termiline tsükkel titaanisulamite lisatootmises loob ainulaadse mikrostruktuurilise oleku, millel on suur osa kõrge-nurgaga terapiiridest ja nano-kilekihtidest / liidestes. Kuigi need funktsioonid tagavad suurepärase ruumitemperatuuri-tugevuse, on neil piiratud termiline stabiilsus üle 700 kraadi, kus liidese koherentsus väheneb -faasi tungimise, piiride migratsiooni ja dünaamilise ümberkristallimise tõttu. Nende temperatuurist{7}}sõltuvate liidese arengumehhanismide mõistmine on hädavajalik AM-protsesside disaini optimeerimiseks ja Ti-6Al-4V komponentide usaldusväärse jõudluse tagamiseks nõudlikes teeninduskeskkondades.
