Механические, микроструктурные исследования и исследования разрушения инконеля 825

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 5321 (2023) Цитировать эту статью

865 Доступов

1 Цитаты

1 Альтметрика

Подробности о метриках

В этой статье представлен новый метод, в котором используется процесс аддитивного производства с проволочной дугой на основе холодного переноса металла для изготовления функционально градуированных стенок из Inconel 825–SS316L. Оптическая микрофотография Inconel 825 демонстрирует непрерывные и прерывистые дендритные структуры. Область SS316L содержит 5% δ-феррита в первичных аустенитных (γ) дендритах, что подтверждается соотношением Creq/Nieq, равным 1,305. На функционально-градиентной границе раздела обнаруживается частично перемешанная зона с переходом от удлиненных дендритов к тонким равноосным дендритам. Свойства растяжения изготовленной стенки определялись при комнатной температуре с использованием образцов, извлеченных из Inconel 825, SS316L и областей раздела. Морфология образцов, испытанных на растяжение, выявила значительную пластическую деформацию, что указывает на пластическое разрушение. Вязкость разрушения стены была экспериментально исследована с использованием теста на смещение раскрытия вершины трещины (CTOD). Морфология излома имела пластичный характер разрушения с полосами, перпендикулярными направлению развития трещины. Картирование элементов показало, что на изломанных поверхностях не было никаких признаков разделения элементов, а элементы были равномерно рассеяны. Размер CTOD составляет 0,853 мм, 0,873 мм на стороне Inconel 825 и SS316L соответственно. Результаты испытаний подтверждают, что обе стороны из Inconel 825 и SS316L обладают хорошей вязкостью разрушения.

На протяжении всей истории способность понимать материалы и манипулировать ими имела решающее значение для развития технологий. Сегодняшние ученые и инженеры понимают ценность новых материалов с точки зрения экономики и окружающей среды. Функционально-градуированные материалы (ФГМ) — это сложные и чрезвычайно функциональные зоны в детали, которые демонстрируют постоянное изменение элементного состава, что приводит к новым и индивидуальным механическим или термическим свойствам1. Возможность разработки материалов с улучшенными свойствами, подходящих для различных применений, включая аэрокосмическую, морскую, ядерную технику и высокотемпературные защитные покрытия, значительно повысила внимание к FGM2. Размер и структурные характеристики — два фактора, которые можно использовать для классификации градиентных материалов. Градиенты могут быть объемными или тонкими (например, поверхностные покрытия), что требует особых методов обработки. В зависимости от строения их разделяют на две группы: сплошные и прерывистые. В материалах с прерывистыми градиентами микроструктура или химический состав изменяются постепенно, а граница раздела обычно заметна и наблюдаема. Напротив, в материалах с непрерывными градиентами химический состав или микроструктура постоянно меняются в зависимости от положения, что делает практически невозможным воспринимать четкую границу как границу раздела градуированной структуры3.

В последнее время многие исследователи сосредоточились на КО на основе металлов. Собчак и др.4 обсудили фундаментальные процессы производства FGM на основе металлов. Домак и др.5 использовали три различных метода изготовления для создания FGM Inconel 718-Ti–6Al–4V. Сообщалось, что образцы, полученные методом прямого лазерного осаждения металлов, показали заметную сегрегацию элементов и грубую дендритную микроструктуру. Используя холодную переносную сварку металла, Тиан и др.6 исследовали механическое и микроструктурное поведение разнородных сплавов Ti–6Al–4 V и AlSi5 и обнаружили трещину в интерфейсном слое. Он возник в интерфейсном слое и распространился на сторону Al из-за разницы в усадке сплавов Al и Ti. Ниендорф и др.7 сообщили, что селективное лазерное плавление (SLM) используется для изготовления деталей из нержавеющей стали с различными локальными функциональными возможностями. Они обнаружили, что крутой микроструктурный градиент приводит к появлению различных локальных механических свойств. Было продемонстрировано, что направленное энерговыделение может быть использовано для изготовления FGM из Inconel 625 и SS304L, и что характеристики и термодинамические модели этих материалов были исследованы Кэрроллом и др.8. Со сплавами инконеля трудно работать, поскольку они имеют тенденцию затвердевать во время обработки и прилипать к режущим инструментам9,10. Inconel825 и SS316L представляют собой аустенитные материалы с высоким содержанием хрома, что обеспечивает превосходную стойкость к высокотемпературной коррозии11. Растрескивание при затвердевании может возникнуть во время сварки плавлением этих двух материалов. Чтобы избежать этой проблемы, можно использовать процесс WAAM на основе холодного переноса металла (CMT)12. Процесс CMT представляет собой модифицированный процесс газовой дуговой сварки, разработанный в 2004 году компанией Fronius International, Австрия. Как следует из названия, WAAM на основе CMT представляет собой процесс, в котором расплавленный металл переносится с очень небольшим подводом тепла для изготовления стенки. Интеллектуальная система автоматизации и сварочная головка со встроенным контроллером отводят наполнитель от ванны расплава при его контакте, механически перенося расплавленный металл, тем самым уменьшая количество выделяемого тепла. Кроме того, для увеличения скорости охлаждения под подложкодержателем установлены алюминиевые ребра и вентиляторы. Это повышает качество печатаемых деталей. Кроме того, процесс WAAM на основе CMT обеспечивает стабильную дугу, повышенную стабильность процесса и ограниченное разбавление13. Таким образом, WAAM на основе CMT представляет собой узкоспециализированный процесс аддитивного производства с огромным потенциалом для массового производства благодаря более высокой скорости осаждения, что обеспечивает более быстрое изготовление, чем любой другой процесс аддитивного производства.