Vpliv termičnega kroženja na medfazno stabilnost aditivno izdelanih titanovih zlitin
Uvod v termično kroženje v aditivni proizvodnji
Aditivna proizvodnja (AM) titanovih zlitin vključuje edinstveno termično zgodovino, za katero je značilno hitro strjevanje in ponavljajoče se toplotno kroženje med zaporednim nanašanjem plasti. Za razliko od običajne kovane obdelave je vsaka nanesena plast podvržena več ciklom ponovnega segrevanja in ohlajanja, ko se na njej gradijo naslednje plasti, kar ustvarja zapleteno toplotno vrtenje, ki močno vpliva na mikrostrukturni razvoj in stabilnost medfazne površine.
Tvorba medfaznih mikrostruktur
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 stopinj ) in ustvarja filme v nanometrskem merilu vzdolž -meja letev. Ti filmi, obogateni z vanadijem (-stabilizacijski element), tvorijo koherentne / vmesnike, ki služijo kot učinkovite ovire za gibanje dislokacij in pomembno prispevajo k visoki trdnosti zlitine.
Učinki termičnega cikliranja na stabilnost vmesnika
1. Gibanje meje in prerazporeditev topljenca
Med termo-mehanskim kroženjem med 400 in 700 stopinjami / vmesnik kaže dinamično gibanje, ki ga poganja prerazporeditev topljenca. Študije sinhrotronskega sevanja so pokazale, da ponavljajoča se toplotna nihanja povzročajo:
Povečanje mrežne napetosti vrha (110) in razširitev mrežnega parametra na a=3.22 Å
Povečanje faznega deleža na približno 3,5 % ± 0,01 %
Dinamične spremembe v profilih koncentracije vanadija preko vmesnika /
Tomografija z atomsko sondo potrjuje, da koncentracija vanadija v območju faznega središča doseže 22,4 ± 0,19 at.%, pri čemer se koncentracijski profil V dinamično spreminja, ko se vmesnik premika naprej in nazaj, da se ohrani fazna stabilnost. Kinetično modeliranje, ki temelji na difuziji (DICTRA), dokazuje, da postane premikanje vmesnika bistveno bolj izrazito, ko se v fazo HCP uvedejo razlike v shranjeni energiji 400–500 J/mol, kar podpira eksperimentalno opazovanje dinamičnega obnašanja vmesnika med termičnim ciklom.
2. Temperaturno-odvisna degradacija vmesnika
Stabilnost / vmesnikov v AM Ti-6Al-4V je močno odvisna od temperature:
Pri 500 stopinjah in manj:Vmesniki / ostajajo relativno ostri in stabilni. Plasti nano-filma ohranijo svojo medfazno koherentnost in še naprej delujejo kot učinkovite ovire proti zdrsu. Mikrostrukturo v prvi vrsti ureja termično aktivirano obnavljanje, pri čemer je pregib prevladujoč mehanizem deformacije.
Nad 700 stopinj:Pride do obsežne degradacije površine, za katero je značilno:
-fragmentacija lamele in močno upogibanje
-fazno prodiranje vzdolž novo oblikovanih / meja, razbijanje prvotno neprekinjenih vmesnih plasti
Izguba medfazne koherentnosti zaradi migracije meja in procesov obnavljanja
Pospešena dinamična rekristalizacija (tako diskontinuirani DDRX kot neprekinjeni CDRX), ki nastaja v regijah, ki so-prizadete
Ta temperaturno-odvisna destabilizacija nano-filmskih plasti omogoča izboljšan prenos zdrsa in lokalizirano prilagajanje napetosti, kar vodi do hitrega mehčanja toka in znatnega zmanjšanja mehanske učinkovitosti.
3. Raztapljanje martenzita in fazne transformacije
Toplotno kroženje vpliva tudi na stabilnost ne-ravnovesnih faz, ki nastanejo med hitrim strjevanjem. Martenzit (m), ki nastane med hitrim ohlajanjem v procesih AM, se začne raztapljati že pri temperaturah 350–400 stopinj. Pri ponovnem segrevanju med nadaljnjimi toplotnimi cikli se m spremeni v bolj stabilne + strukture. To raztapljanje je počasen, difuzijsko-nadzorovan proces, ki dodatno spremeni lokalno kemijo vmesnika in mikrostrukturno stabilnost.
Mikrostrukturni evolucijski mehanizmi
Visok delež HAGB v AM Ti-6Al-4V (približno 80,8 % skupnih meja) igra ključno vlogo pri stabilnosti vmesnika pri termičnem ciklu:
HAGB kot viri in ponori dislokacij:Obilni HAGB-ji spodbujajo izbočenje meja in migracijo ter znižujejo nukleacijsko pregrado za diskontinuirano dinamično rekristalizacijo (DDRX)
Izboljšana mejna mobilnost:Na prizadetih območjih-lokalna nestabilnost olajša nukleacijo DDRX, kar pospeši razgradnjo prvotne lamelarne strukture
Kontrast s kovanimi zlitinami:Kovani Ti-6Al-4V vsebuje veliko večji delež meja zrn z nizkim kotom (LAGB), ki omejujejo mobilnost meja in dajejo prednost postopni rotaciji podzrna (CDRX) namesto hitre destabilizacije vmesnika
Pri 700 stopinjah toplotno aktivirana mejna migracija in dislokacijski vzpon dodatno zmanjšata nukleacijsko pregrado za DDRX v mikrostrukturah AM, bogatih s HAGB-, medtem ko CDRX ostaja primarna rekristalizacijska pot v kovanih zlitinah s strukturo, ki jo ureja LAGB-.
Posledice za uspešnost storitve
Nestabilnost vmesnika, ki jo-povzroča termično kroženje, pomembno vpliva na zanesljivo uporabo titanovih zlitin AM v okoljih z visoko-temperaturo:
Zadrževanje moči:Medtem ko ima AM Ti-6Al-4V vrhunsko tlačno mejo tečenja pri sobnih in vmesnih temperaturah (300–500 stopinj) zaradi svoje strukture s finimi letvami in stabilnimi / vmesniki, se njegova toplotna stabilnost znatno zmanjša nad 700 stopinjami zaradi hitre degradacije vmesnika in mehčanja.
Učinkovitost utrujenosti:Razpad koherentnih / vmesnikov in tvorba rekristaliziranih zrn lahko ustvari mesta za začetek in širjenje razpok, kar lahko ogrozi življenjsko dobo zaradi utrujenosti.
Odpornost proti lezenju:Visok delež HAGB in lokalizirano kopičenje dislokacij na -mejah letev, ki sta sprva koristna za odpornost proti lezenju, se destabilizirata, ko vmesniki izgubijo koherenco pod termičnim ciklom.
Strategije ublažitve
Za izboljšanje medfazne stabilnosti v pogojih termičnega cikla se preiskuje več pristopov:
Toplotna obdelava-po gradnji:Nadzorovane toplotne obdelave lahko stabilizirajo mikrostrukturo s homogenizacijo porazdelitve topljenca in zmanjšanjem preostalih napetosti zaradi termičnega kroženja
Optimizacija procesnih parametrov:Prilagoditev strategij nanašanja (npr. čas zadrževanja, načrtovanje poti) za doseganje bolj enakomernih toplotnih zgodovin in zatiranje prekomernega ponovnega segrevanja, kar ima za posledico finejše, stabilnejše -latne strukture
Termomehanska obdelava:Kombinacija AM s-kovanjem na kraju samem ali deformacijo vmesnega sloja za izboljšanje zrnate strukture in izboljšanje stabilnosti vmesnika
Zaključek
Toplotno kroženje pri aditivni proizvodnji titanovih zlitin ustvari edinstveno mikrostrukturno stanje z visokimi deleži visoko{0}}kotnih meja zrn in nano-plasti filma na / vmesnikih. Medtem ko te lastnosti zagotavljajo odlično trdnost pri sobni-temperaturi, kažejo omejeno toplotno stabilnost nad 700 stopinjami, kjer se koherentnost vmesnika poslabša zaradi -faznega prodiranja, migracije meja in dinamične rekristalizacije. Razumevanje teh temperaturno{7}}odvisnih razvojnih mehanizmov vmesnika je bistvenega pomena za optimizacijo zasnove procesa AM in zagotavljanje zanesljivega delovanja komponent Ti-6Al-4V v zahtevnih servisnih okoljih.
