Хімічний склад сплаву GH3536 і процес термічної обробки
Сплав GH3536 — це високотемпературний сплав на основі нікелю, переважно твердий розчин, зміцнений хромом і молібденом (відповідна марка — Hastelloy-X). Він має гарну стійкість до окислення та корозії, а також має помірну довговічність та міцність на повзучість при 900 градусах. , підходить для виготовлення гарячих компонентів високотемпературних службових структур, таких як хвостові конуси, вихрові вихлопні труби та корпуси сопел горіння. Однак форма таких деталей складна, всередині часто є проточні канали або пористі структури. Традиційні процеси здебільшого складаються з кількох зварних швів, що не тільки ускладнює забезпечення точності розмірів, але й впливає на стабільність газового потоку. Навіть за допомогою точного кування важко задовольнити потреби обробної промисловості. Вибіркове лазерне плавлення (SLM) — це технологія, яка використовує лазер як джерело тепла для досягнення інтеграції дуже складних деталей шляхом плавлення шарів металевого порошку точка за точкою, накладання рядків за лініями, а також затвердіння та накопичення шар за шаром. Технологія «Near net shape» вирішила проблему вузького місця, яка обмежує обробку деталей зі сплаву GH3536. Однак, оскільки порошок сплаву повинен завершити плавлення, затвердіння та охолодження протягом певного дуже короткого часу взаємодії під час процесу формування SLM, надзвичайно високий температурний градієнт, викликаний локальним надходженням тепла та великим залишковим напруженням, створеним під час процесу затвердіння, призведе до структурні дефекти сплаву. поділ з інгредієнтами. Тому формовані деталі селективного лазерного плавлення зазвичай потребують посттермічної обробки для відновлення внутрішніх дефектів сплаву, регулювання складу та структури мікроструктури та покращення механічних властивостей сплаву.
Відбір експериментального матеріалу
У цьому експерименті використовується аерозольний сферичний порошок сплаву GH3536 як вихідний матеріал для осадження SLM. Хімічний склад порошку сплаву показано на малюнку нижче, який відповідає вимогам до складу високотемпературного сплаву GH3536 у GB/T14992-2005.
Аналіз результатів
(1) Властивості розтягування при кімнатній температурі сплаву GH3536 у різних станах термообробки
Випробування на розтягнення при кімнатній температурі проводили на зразках SLM, ST і HIP, підготовлених у різних напрямках, і порівнювали їх із промисловим стандартом HB 5497-1992. Міцність на розрив і межа текучості трьох зразків у поперечному/поздовжньому напрямку при кімнатній температурі перевищують вимоги стандартів кування, але подовження різне. Межа міцності зразка SLM у поперечному напрямку становить 769 МПа, що на 58 МПа вище, ніж у поздовжньому; поперечна межа текучості 465 МПа, що на 44 МПа більше, ніж у поздовжньому напрямку; подовжнє подовження становить 27,81%, що на 7,21% більше, ніж у поперечному напрямку; тобто зразок SLM при кімнатній температурі Існує анізотропія властивостей розтягування. Як ми всі знаємо, на властивості сплавів при розтягуванні впливають не тільки властиві характеристики матеріалу, а й пов’язані з мікроструктурою. Для зразків, утворених SLM, слід брати до уваги вплив межі розплавленої ванни. Мікроструктуру зразка SLM можна розглядати як шаховий розподіл композиції "межі басейну розплаву - надтонкі стовпчасті субзерна". Взагалі кажучи, чим менші зерна, тим вища міцність на розрив і краща пластичність. Область, оточена межею басейну розплаву, складається з тонких стовпчастих кристалітів, які рівномірно розподілені, що забезпечує високу міцність і хорошу пластичність зразка SLM. Однак просторово розподілена межа басейну розплаву сильно вплине на пластичність зразка SLM. Оскільки здатність з’єднання самої межі ванни розплаву слабша, ніж межі зерен, і на межі ванни розплаву є локальна «область грубого зерна» в зоні перекриття ванни розплаву, межа ванни розплаву стає слабкою зоною зразок. Коли зразок SLM зазнає пластичної деформації, він переважно ковзатиме вздовж межі розплавленої ванни. Кількість меж розплавленої ванни (довжина) у поздовжньому перерізі зразка на одиницю площі значно більша, ніж у поперечному, а це означає, що при розтягуванні зразка SLM в поздовжньому напрямку легше відбувається пластична деформація, тому він демонструє більше макроскопічних властивостей. Відмінне подовження, але міцність на розрив трохи нижче, ніж в поперечному напрямку.
Межа міцності та текучості зразка ST у поперечному напрямку становлять відповідно 695 та 382 МПа, подовження – 31,13%. Механічні властивості в поздовжньому напрямку по суті такі ж, як і в поперечному напрямку, що узгоджується зі спостереженням, що поперечна/поздовжня мікроструктура подібна. Усунення межі ванни розплаву є основною причиною зникнення анізотропії властивостей розтягування зразка ST. Обробка твердим розчином усуває такі дефекти, як пори та тріщини в наплавленому зразку, а високотемпературна обробка сприятиме збільшенню кількості аустеніту в структурі, що призведе до значного збільшення подовження зразка ST порівняно з бічним. подовження зразка SLM. Зростання на 10,53%. Однак обробка твердим розчином призведе до рекристалізації та росту зерен сплаву при високих температурах, що призведе до значного зниження міцності на розрив і межі текучості. Механічна поведінка зразка HIP при кімнатній температурі при розтягуванні подібна до зразка ST, але міцність на поперечний/поздовжній розрив становить приблизно 728 МПа, а межа текучості становить 429 МПа. Незважаючи на те, що межа міцності на розрив приблизно на 41 МПа нижча, ніж межа міцності на поперечний розрив зразка SLM, вона на 11 МПа вища, ніж міцність на поздовжній розрив. Коефіцієнт подовження досягає 38,65%, що на 7,52% вище, ніж у зразка ST, і на 38,9% вище, ніж швидкість подовження у зразку SLM. Міцність зразка HIP не впала суттєво, як зразка ST, головним чином через усунення внутрішніх дефектів у сплаві та зміну морфології меж зерен.
З одного боку, щільність зразка після гарячого ізостатичного пресування вища, ніж у зразка ST; з іншого боку, ланцюгоподібний M23C6, що осідає на межі зерен зразка HIP, може ефективно перешкоджати руху дислокації під час процесу деформації, таким чином покращуючи міцність сплаву. Хоча зерномежові карбіди, як крихка фаза, можуть легко стати джерелом тріщин під час процесу розтягування, утворені ними зигзагоподібні межі зерен перешкоджатимуть виникненню та розширенню тріщин. Це пояснюється тим, що зубчасті вигнуті межі зерен є нерівними, що спричиняє ефект зчеплення між площинами кристалів сусідніх зерен. Межам зерен важко прослизнути між собою під час процесу деформації, змушуючи більш міцні внутрішньозернові частини брати участь у деформації, в результаті чого на границях зерен відбувається релаксація напруги, що перешкоджає виникненню тріщин. Дослідження показали, що під час процесу поширення тріщини нерівні межі зерен можуть спричинити відхилення кута між тріщиною та поверхнею розділу зерен від початкового кута падіння, що робить шлях поширення тріщини вздовж поверхні розділу більш складним і жорстким. Це означає, що зубчасті вигнуті межі зерен роблять тріщини більш імовірними для поширення через поверхню розділу зерен, а не поширюються вздовж поверхні розділу зерен, тим самим ефективно посилюючи міцність сплаву.
(2) Аналіз морфології руйнування при розтягуванні при кімнатній температурі сплаву GH3536 у різних станах термообробки
Механізми руйнування трьох зразків являють собою пластичні руйнування, агреговані мікропорами, з еліптичними рівновісними ямками, розподіленими вздовж поверхні зламу, але розмір і глибина ямок різні. Серед них структура ямок зразка SLM дуже мала, із середнім діаметром лише близько 0,5 мкм і невеликою глибиною. Також можна спостерігати тріщини на межі розплавленої ванни, і поверхню розплавленої ванни в дузі Гауса чітко видно, що вказує на те, що тріщини виникають і розширюються вздовж межі ванни розплаву. Це також доводить з іншої точки зору, що межі басейну розплаву є важливим компонентом організаційної механіки. Слабкі місця продуктивності. Під час процесу пластичної деформації поперечного зразка SLM локальна концентрація напруги зруйнує силу зв’язку атомів і утворить пори. У міру деформації ці мікропори ростуть і з’єднуються одна з одною, утворюючи тріщини. Наявність невеликої кількості крихітних ямок вказує на те, що руйнування зразка тут відбувається через розширення мікротріщин, утворених під час процесу формування SLM, які менше беруть участь у пластичній деформації під час процесу деформації, таким чином спричиняючи нижчий зразок SLM в поперечному напрямку. подовження.
Розмір ямок на поверхні руйнування зразка ST становить {{0}}.8-1.0 мкм і рівномірно розподілений, демонструючи характеристики руйнування типу трансзеренних ямок, що свідчить про те, що сплав має добре подовження. Після обробки гарячим ізостатичним пресуванням кількість ямок на поверхні зламу зразка HIP значно зросла, а розмір також збільшився приблизно до 2 мкм. Порівняно зі зразками SLM, наявність зигзагоподібно вигнутих меж зерен сприятиме активації системи ковзання в навколишній матриці, зниженню концентрації напружень на границях зерен і сприятиме рівномірному розподілу пластичної деформації. Таким чином, зразок HIP демонструє найкращу міцність на розрив при кімнатній температурі. продуктивність, яка узгоджується з вищезазначеними результатами випробувань на розтяг. Коли матеріал, що розтягується, має добру пластичність, сила зв’язку між зернами з різною орієнтацією є більшою, що спричиняє утворення дислокацій після того, як вони ковзають уздовж кількох пересічних площин ковзання одночасно. Це також відображає з боку те, що зразок HIP має чудову здатність до пластичної деформації.
на закінчення
(1) Мікроструктура осадженого зразка сплаву GH3536, утвореного селективним лазерним плавленням, в основному складається з меж розплавленої ванни та наддрібних стовпчастих субзерен. Розплавлена ванна має розподіл, подібний до риб’ячої луски, вздовж напрямку осадження, який, очевидно, відрізняється від розподілу, подібного до смужки, у напрямку лазерного сканування. Всередині невелика кількість пір і невпорядкованих мікротріщин.
(2) Після того, як зразки SLM були оброблені обробкою твердим розчином і гарячим ізостатичним пресуванням, морфологія меж розплавленої ванни зразків сплаву зникла. Щільність ST на 3,9% вища, ніж у зразка SLM, а мікроструктура складається з поперемінно розподілених рівновісних зерен різного розміру, без виділення другої фази. Мікроструктура зразка HIP подібна до зразка ST, з щільністю 94,1%.
(3) Переломи трьох зразків є типовими переломами типу ямок. Властивості на розтяг зразків SLM є анізотропними, що зумовлено різним розподілом межі ванни розплаву, яка утворюється під час процесу осадження, у поперечному/вертикальному напрямку. Межа міцності та межа текучості зразка ST зменшилися, але відносне подовження збільшилося до 31,13%. Міцність на розрив і межа текучості зменшилися менше, а відносне подовження досягло 38,65%, що пов’язано з викривленими межами зерен, утвореними під час процесу HIP.
