Синхротронное исследование градиента микроструктуры в эпитаксиальном Ni, полученном лазерным аддитивным способом.

Научные отчеты, том 5, Номер статьи: 14903 (2015) Цитировать эту статью

3131 Доступов

20 цитат

Подробности о метриках

Лазерная аддитивная формовка считается одним из перспективных методов ремонта деталей из монокристаллических суперсплавов на основе Ni с целью продления их срока службы и снижения стоимости. Сохранение монокристаллической природы и предотвращение термомеханического разрушения являются двумя наиболее важными вопросами применения этого метода. Здесь мы используем синхротронную рентгеновскую микродифракцию для оценки качества с точки зрения ориентации кристаллов и распределения дефектов суперсплава на основе Ni DZ125L, полученного непосредственно с помощью лазерного аддитивного процесса на основе монокристаллической подложки из того же материала. Показано, что в межфазной области между эпитаксиальными и блуждающими зернами существует градиент разориентации, обусловленный высокой плотностью геометрически необходимых дислокаций и образующихся субзерен. Это создает потенциальную взаимосвязь образования случайных зерен и накопления дефектов. Это наблюдение открывает новые направления в изучении контроля производительности и надежности суперсплавов, полученных лазерным аддитивным способом.

Монокристаллические суперсплавы на основе никеля широко используются для изготовления лопаток газовых турбин, бликов и сегментов уплотнений лопастей для авиационных двигателей и энергосистем1,2,3. Отсутствие границ зерен способствует их выдающимся характеристикам при воздействии суровых условий, таких как высокая температура, вибрация, коррозия и разрушение при ползучести4. Чтобы продлить срок службы и снизить общую стоимость этих дорогих монокристаллических лопаток или лопаток, желательны новые методы ремонта/изменения формы, сохраняя при этом монокристаллическую природу суперсплава на основе Ni5. Одним из наиболее многообещающих методов в настоящее время является лазерная аддитивная формовка, также известная как 3D-печать, прямое лазерное формование металла или аддитивное производство6,7. В процессе ремонта посредством лазерной аддитивной формовки металлический порошок впрыскивается в расплавленную ванну, образованную контролируемым лазерным нагревом подложки. Регулируя параметры процесса, можно реализовать изменение формы и производство монокристаллического суперсплава на основе Ni путем направленной кристаллизации в эпитаксии с подложкой8,9. Эпитаксиальная процедура включает преимущественный столбчатый рост дендритов, который в основном зависит от градиента температуры и скорости затвердевания. Однако из-за влияния кинетики затвердевания предпочтительная ориентация иногда может отклоняться от осевого направления фактического роста, и, таким образом, во время прямой лазерной формовки образуются случайные зерна, ориентация кристаллов которых отличается от ориентации подложки и эпитаксиальных зерен. процесс10,11. Два основных вопроса, на которые еще предстоит ответить при лазерной аддитивной формовке, заключаются в том, насколько хорошо можно сохранить монокристаллическую природу и насколько эффективно можно избежать термических эффектов, таких как горячее растрескивание5,9. Поэтому важно тщательно исследовать разориентацию между лазерно-осажденными слоями и подложкой и плотность дефектов в материалах, полученных непосредственно лазерным способом, которые являются основными показателями качества эпитаксиального роста и определяют устойчивость материалов к внешним термическим и механическим нагрузкам.

В предыдущей литературе морфология эпитаксиальных и рассеянных зерен наблюдалась с помощью оптической и сканирующей электронной микроскопии. Ориентация кристаллов была охарактеризована с помощью дифракции обратного рассеяния электронов (EBSD) на различных суперсплавах на основе Ni8,9,12. Рентгеновская дифракция высокого разрешения (HRXRD) и картирование обратного пространства (RSM) вокруг выбранных дифракционных пятен также использовались для изучения дезориентации, мозаичности и несоответствия решеток слоев, нанесенных лазером, и подложки13,14. Однако ориентация, распределение и градиент дефектов в слоях, осажденных лазером, особенно от подложки к область разбросанных зерен нелегко охарактеризовать количественно. В этой статье синхротронная рентгеновская микродифракция Лауэ с белым лучом (μXRD) использовалась для исследования суперсплава DZ125L на основе Ni, полученного лазерным аддитивным способом, разработанного в Китае для применения в современных газотурбинных двигателях15. Воспользовавшись преимуществами микронного пространственного разрешения, высокой ориентационной разрешающей способностью, а также значительной глубиной проникновения рентгеновского луча высокой энергии, мы подробно изучили микроструктурную эволюцию, включая ориентацию кристалла, распределение субзеренных границ и градиент плотности дефектов, в течение область миллиметрового размера, включающая монокристаллическую подложку, эпитаксиальные столбчатые дендритные слои, непосредственно сформированные лазерным аддитивным производством, и рассеянные зерна. Высокая плотность дефектов была обнаружена вблизи границы раздела эпитаксиально-рассеянная, что указывает на то, что переход эпитаксиально-рассеянный может быть связан с гетерогенным зародышеобразованием с участием дефектов.