בהשוואה לתצהיר אנרגיה כיוונית, המסת לייזר סלקטיבית נחקרה פחות לייצור חומרים מדורגים פונקציונלית, וחלון שלאחר-העיבוד נותר לא ברור.
החוקרים שלנו השתמשו בטכנולוגיית SLM להכנת חומרים מדורגים פונקציונליים 316L/IN718 והעריכו באופן שיטתי את ההשפעות של תהליכי טיפול בחום מייצגים על התפתחות פאזה ותכונות מתיחה
הכנת 1.SLM של חומרים בדירוג פונקציונלי 316L/IN718
2. תהליך טיפול בחום
בהתבסס על הניתוח של האיור לעיל, תוכננה ערכת טיפול בחום שיפוע. נבחרו שתי טמפרטורות של תמיסה: 980 מעלות (מתחת לטמפרטורת התמיסה) ו-1040 מעלות (מעל טמפרטורת התמיסה), בשילוב עם שתי אסטרטגיות יישון: יישון יחיד ב-720 מעלות ויישון כפול ב-720 מעלות + 620 מעלות. על סמך זה, הוקמו חמש קבוצות של ניסויי בקרה:
קבוצת AD (מצב מופקד): נשמר במצב ההכנה המקורי שלה;
קבוצת HT1: טיפול בתמיסה של 1040 מעלות למשך שעה אחת (המרווית מים) + 720 מעלות יישון בודד למשך 8 שעות (קירור אוויר);
קבוצת HT2: טיפול בתמיסה של 1040 מעלות למשך שעה אחת (המרווה במים) התיישנות של + 720 מעלות למשך 8 שעות ואחריה יישון ב-620 מעלות למשך 8 שעות (קירור תנור);
קבוצת HT3: טיפול בתמיסה של 980 מעלות למשך שעה אחת (המרווית מים) + 720 מעלות יישון יחיד למשך 8 שעות (קירור אוויר);
קבוצת HT4: טיפול בתמיסה ב-980 מעלות למשך שעה אחת (המרווה במים) התיישנות של + 720 מעלות למשך 8 שעות ולאחר מכן יישון ב-620 מעלות למשך 8 שעות (קירור תנור).
3. שינוי שלב לאחר טיפול בחום
חמש קבוצות של דפוסי עקיפה של קרני רנטגן (XRD) במישור Y-Z בתנאי טיפול בחום שונים, כאשר אזורי בדיקה מכסים: אזור 1 (תוכן IN718 70-100%), אזור 2 (תוכן IN718 40-70%) ואזור 3 (תוכן IN718 0-30%).
עוצמות שיא הדיפרקציה בחמשת תנאי הטיפול בחום לא הראו הבדלים משמעותיים; השתקפות ה-Bragg של השלב האוסטניטי-במיוחד הפסגות החזקות (111) ו-(200) של המבנה המעוקב במרכז-הפנים (FCC)-שלטו בדפוס העקיפה.
בדגימה שטופלה ב-HT1- מאזור 1, העוצמות של הפסגות (111) ו- (220) היו גבוהות מאלה של המצב המופקד (AD). בנוסף, כל הקבוצות שטופלו בחום הראו שיא עקיפה (311), המעיד על כך שנוצר שלב חיזוק נוסף לאחר טיפול בחום.
בתנאי HT1, פסגות העקיפה באזור 2 רחבות יותר ובעלות עוצמה נמוכה יותר, מה שמצביע על כך שיציבות הפאזה באזור זה חלשה יותר.
באזור 3, עוצמת השיא (111) במדגם שטופל ב-HT3- גדלה באופן משמעותי. יש לציין, שלבי התחזקות 'ו' זוהו בדפוס ה-XRD של אזור 1. קירור מהיר במהלך הכנת SLM בתפוקה גבוהה אינו תורם למשקעים של שלבים 'ו', בעוד טיפול בחום מספק מספיק זמן למשקעים של שלבי חיזוק אלו, מה שמסביר את העלייה בעוצמת ה-(200) (200) ו-(221) ה-crystale. שיא לאחר טיפול בחום.
לאחר טיפול בחום עם HT2 ו-HT4, (311) פסי עקיפה של שלבי ' ו- ' זוהו גם בדפוסי XRD. עם זאת, בהשוואה ל- (311) שיאי עקיפה לאחר טיפול בתמיסה והזדקנות בודדת, שיאי הדיפרקציה לאחר ההזדקנות הכפולה היו יותר אינטנסיביים, מה שמעיד על כך שתהליך ההזדקנות הכפול של שלב ההזדקנות הקידם את ". עוצמת פסי הדיפרקציה של שלב החיזוק הייתה משמעותית במיוחד בתנאי הטיפול ב-HT2, מה שמעיד על כך שטיפול בחום זה מקדם את המשקעים של שלבים נוספים 'ו'. להשפעת המשקעים של שלב החיזוק צפויה להיות השפעה חיובית על המאפיינים המכניים של המצב שטופל ב-HT2. עם זאת, כיוון השיא הגבישי של הטיפול העיקרי (111) לא שינה את הכיוון המשמעותי של הטיפול בחום. לא לשנות את הכיוון המועדף של החומר המדורג פונקציונלי 316L/IN718.
4. מבנה מיקרו לאחר טיפול בחום
בתנאי הפקדה (AD), קיימים שלבי Laves ארוכי-שרשרת באזור 1. בשל התוכן הגבוה של IN718 באזור זה, כמות גדולה של Nb-פאזה עשירה משקעת באזור הבין-גרעיני, בהרכב של (Ni, Fe, Cr)2(Nb, Mo, Ti). בטיפול ב-HT1, רוב שלב לאבס עובר פירוק ושבר, והשלב השיורי הופך למורפולוגיה גרעינית. בטיפול ב-HT3, שלב לאבס הופך גם לצורה גרגירית באמצעות תהליך פירוק, מלווה במשקעים של מחט-כמו/מוט-כמו δ-שלבי Ni3Nb. זה מצביע על כך שדגימות HT1 ו-HT3 גרמו להפרדה בדיפוזיה של יסודות (Ni, Nb, C, Mo) באזור 1, תופעה התואמת את התוצאות של מדידות התפלגות סטטיסטית- באתר של מתכות בדגימות הפקדות ו-מטופלות בחום באמצעות מיקרוסקופ{19}}רנטגן ברזולוציה גבוהה{19}}.
תוצאות ניתוח רב-קנה מידה מאשרות שעל ידי שליטה במסיסות של שלב ה-Laves באמצעות טמפרטורת התמיסה ובקרה על המורפולוגיה של שלב δ-Ni3Nb דרך זמן ההזדקנות, ניתן להשיג אופטימיזציה סינרגטית של חוזק ופלסטיות של חומרי שיפוע. זה מספק עקרונות מנחים של שלב הנדסי מפתח לפיתוח תהליכי טיפול בחום חדשניים.
התפתחות המיקרו-מבנה של אזור 3 תחת משטרי טיפול בחום שונים חושפת את קינטיקה של טרנספורמציה פאזה המונעת על ידי אפקט הצימוד של שיפוע הרכב והיסטוריה תרמית. מנגנון התפתחות המיקרו-מבנים בקנה מידה חוצה-קנה מידה של אזור זה מסוכם, ומנגנון המתאם בין טיפול בחום, הנדסת גבול תבואה ותכונות מכניות נקבע. בתנאי הפקדה (AD), האזור הדומיננטי 316L-(Cr/Ni=1.82) עוקב אחר נתיב התמצקות דו-פאזי של פריט-אוסטניט (FA) ויוצר מבנה דנדריטי תאי. לאחר טיפול בחום HT1, יחס Cr/Ni יורד ל-1.35. טרנספורמציה קומפוזיציונית זו מקדמת את נתיב ההתמצקות מ-אוסטניט דו-פאזי-פריט למבנה חד-פאזי אוסטני לחלוטין-, ומפחיתה משמעותית את תוכן הפריט הבין-דנדריטי. זיהוי השלב מאשר את הטרנספורמציה הזו: שלב ה-FCC הוא -מטריקס אוסטניט, שלב ה-BCC הוא δ-פריט, ו-Ni3Al מתאים לשלב המשקעים. אזור 3 נשלט על ידי אוסטניט, המכיל כמות קטנה של פריט מפוזר. חלקי הנפח של פריט שנמדדו בניתוח תמונה כמותי היו 3.5% (AD), 0.7% (HT1), 0.2% (HT2), 1.5% (HT3) ו-0.8% (HT4), בהתאמה, מה שמאשר שתכולת הפריט בכל המצבים שטופלו בחום הייתה נמוכה מזו שבמצב ההפקדה.
חשיפת חום שלאחר-תצהיר מקדמת התגבשות סטטית מחדש, מה שמוביל להתגבשות גרגרים והפחתה משמעותית במרווח הדנדריטים. ההשפעה הסינרגטית של שיפוע ההרכב היא גם משמעותית: לאורך כיוון היווצרות (תכולת IN718 עולה מ-0 ל-100 wt%), קצב הקירור המקומי הפחת גורם להתגבשות הדרגתית של זרועות הדנדריט. הדגימה שהופקדה באזור 3 מאופיינת בגרגרים עדינים שוות ציר, עם גדלי גרגרים קטנים עוד יותר (~8.4 מיקרומטר) בתחתית בריכת ההיתוך עקב התכה מחדש בלייזר. לעומת זאת, הדגימות שטופלו בחום מציגות פיזור גודל גרגר אחיד יותר, אך התגבשות גרגרים מתרחשת באזור 3 לאחר טיפול בחום-גודל הגרגירים הממוצע של דגימות HT1 ו-HT3 הם 10.40 מיקרומטר ו-11.64 מיקרומטר, בהתאמה. התגבשות זו מיוחסת בעיקר להשפעה הסינרגטית של צבירת חום וקצב קירור: אזור 3 ממוקם בתחתית החומר השיפוע, וכתוצאה מכך פחות הצטברות חום במהלך תהליך ה-SLM באנרגיה גבוהה-וגרגרים ראשוניים עדינים יותר; בעוד שתהליך הקירור האיטי לאחר טיפול בחום בתצהיר מספק זמן מספיק לצמיחת דגנים. בנוסף, המדגם מכיל גבישים עמודים רציפים החודרים לשכבות מרובות. בשל מאפייני ההתמצקות הכיוונית המהירה של תהליך SLM, כיוון גידול התבואה תואם בדרך כלל לכיוון שיפוע הטמפרטורה המקסימלי (כלומר, בניצב לתחתית הבריכה המותכת).
טיפול בתמיסה מפחית משמעותית את חוזק המרקם ומשפר את האחידות, כאשר HT2 מראה את ההשפעה המשמעותית ביותר: טיפול בתמיסה של 1040 מעלות בשילוב עם יישון כפול גורם להיווצרות גבול תת-גרגר, מגדיל את שיעור גבולות הגרגירים הקטנים-זווית (LAGBs) ל-39.1% (הגבוה ביותר מבין כל טיפולי החום). זה משפר מאוד את יכולת העיוות המתואם בקנה מידה רב- של מבנה השיפוע ומקדם התנהגות איזוטרית.
טיפול בחום שלאחר-תמיסה מפחית באופן משמעותי מתח שיורי ומקדם פירוק משמעותי של שלב לאבס (מידת הפירוק עולה באופן מונוטוני עם טמפרטורת התמיסה); תפוקה גבוהה- SLM מטבעה מעדן את המיקרו-מבנה המופקד בשל קצב הקירור הגבוה שלו, אך טיפול בחום שלאחר מכן גורם להתגבשות גרגרים משמעותית. יש לציין, כמות קטנה של δ- שלב Ni3Nb נשארת לאחר טיפול בתמיסה ב-980 מעלות , מה שמצביע על כך שטמפרטורה זו מתחת לקו הפתרון של שלב δ- Ni3Nb.
5.מאפייני מתיחה
שבר מתיחה היה מרוכז כמעט כולו באזור המעבר הקומפוזיציוני בין האזורים 30% IN718 + 70% 316L ו-40% IN718 + 60% 316L, שבהם ההפרדה האלמנטרית הייתה הבולטת ביותר. החריג היחיד התרחש במצב HT2 מטופל בחום-, שבו השבר התחיל באזור 50% 316L + 50% IN718 והיה מלווה בצוואר משמעותי. ממצאים אלה מוכיחים באופן כמותי כי וריאציות של שיפוע קומפוזיציה שולטות ביכולת נשיאת העומס של 316L/IN718 חומרים מדורגים פונקציונליים (FGMs).
כאשר טמפרטורת התמיסה היא 1040 מעלות, הן החוזק והן הפלסטיות של החומר משתפרים. בטיפול יישון יחיד, תהליך HT1 משפר משמעותית את החוזק של חומרים מדורגים פונקציונליים (FGMs) 316L/IN718 טוב יותר מ-HT2, עם אפקט חיזוק של 6.58%. המדגם שטופל ב-HT2 הראה את העלייה המשמעותית ביותר בהתארכות בטמפרטורת התמיסה של 1040 מעלות, עם עלייה של כ-62.99%.תוצאות אלו מצביעות על כך שבטמפרטורת התמיסה של 1040 מעלות, יישון בודד תורם יותר לשיפור החוזק, בעוד שהזדקנות כפולה תורמת יותר לשיפור הפלסטיות.
כאשר טמפרטורת הטיפול בתמיסה יורדת ל-980 מעלות, חוזק החומר עולה (גבוה יותר עם יישון כפול וטוב יותר עם יישון בודד), אך הפלסטיות פוחתת בהשוואה למצב המושקע.השיפור המשולב בחוזק ובפלסטיות מצביע על כך ש-HT2 הוא טיפול החום האופטימלי עבור חומרים 316L/IN718 מדורגים פונקציונלית.
6.לסיכום
(1) טמפרטורת הפתרון שולטת בנתיב התפתחות השלב, בעוד שהשפעת ההזדקנות זניחה. טמפרטורת תמיסה גדולה מ-1040 מעלות או שווה ל-1040 מעלות יכולה להמיס באופן משמעותי את שלב ה-Laves ולבלום את היווצרות שלב δ-Ni3Nb, ובכך לשחרר אלמנטים של Nb עבור המשקעים הבאים של שלב החיזוק "/", מה שמספק תנאי מוקדם הכרחי להשגת איזון פלסטי טוב.
(2)שיטות ההזדקנות מאפשרות בקרת חוזק-פלסטיות. התיישנות כפולה לאחר טיפול בתמיסה ב-1040 מעלות יכולה להגביר את הפלסטיות בכ-30% מבלי לוותר על החוזק, מה שהופך אותה למתאים ליישומי פלסטיות גבוהה-. לעומת זאת, טיפול בתמיסה ב-980 מעלות משרה משקעים של מחט-כמו שלבי δ-Ni3Nb לאורך גבולות התבואה; זה מוביל לירידה משמעותית בפלסיות בהתיישנות יחידה וכפולה, ולכן מומלץ רק עבור יישומים שבהם הזחילה בטמפרטורה{11} בינונית היא הדומיננטית.
(3) רכיבי שיפוע דורשים "הומוגניזציה בטמפרטורה גבוהה- ואחריה אסטרטגיית הזדקנות -בטמפרטורה נמוכה". האזור המועשר ב-IN718 עצמו עשיר באלמנטים של Nb ו-Mo, מה שמצריך טיפול מקדים בפתרון -במעלה או שווה ל-1040 מעלות; אחרת, ההזדקנות בטמפרטורה-נמוכה לאחר מכן תיצור מחט רציפה-כמו רשת פאזה δ-Ni3Nb, וכתוצאה מכך לאובדן קשיחות-טמפרטורת החדר של יותר או שווה ל-40%. רצף טיפול זה יכול לשמש כעיקרון עיצוב כללי לטיפול בחום בעקבות התכת לייזר סלקטיבית (SLM) של חומרים דומים בדירוג פונקציונלי (FGMs).
(4) האפיון של חומרי שיפוע צריך להתבצע בשלושה-שלבי לולאה סגורה-: ראשית, מבוצעת בדיקה מקרוסקופית מראש מתיחה- כדי לזהות הבדלי אצווה-ל-אצווה; שנית, מפות התפלגות שדה המתח ε(x) משורטטות באמצעות טכנולוגיית מתאם תמונה דיגיטלי של שדה (DIC), ויחסי מתח מקומיים- מתח (σ-ε) מתקבלים באמצעות בדיקה מכנית בקנה מידה מיקרו/ננו-; לבסוף, המודל המכונן הגרדיאנט המוטבע בניתוח אלמנטים סופיים (FEA) מכויל. שרשרת אימות זו יכולה לנתק את התגובה הכוללת לערכים מותרים בעיצוב מרחבי, ובכך לאפשר{11}}כוונן עדין של התהליך והערכת מהימנות השירות.
