Блог

Apr 12, 2024

Проектирование с учетом фазовых и свойственных неоднородностей в титановых сплавах, полученных аддитивным способом.

Nature Communications, том 13, номер статьи: 4660 (2022) Цитировать эту статью 11k Доступов 19 Цитирований 4 Подробности об альтернативных метриках Аддитивное производство (AM) создает детали, спроектированные в цифровой форме,

Nature Communications, том 13, номер статьи: 4660 (2022 г.) Цитировать эту статью

11 тысяч доступов

19 цитат

4 Альтметрика

Подробности о метриках

Аддитивное производство (АП) создает детали цифрового дизайна путем последовательного добавления материала. Однако из-за внутреннего термоциклирования металлические детали, изготовленные методом АД, почти неизбежно страдают от пространственно-зависимой неоднородности фаз и механических свойств, что может привести к непредсказуемым сбоям в работе. Здесь мы демонстрируем синергетический подход к проектированию сплавов для решения этой проблемы в титановых сплавах, изготовленных методом лазерной плавки в порошковом слое. Ключом к нашему подходу является легирование Ti-6Al-4V (в массовых процентах) на месте с комбинированными добавками чистых порошков титана и наночастиц оксида железа (Fe2O3). Это не только позволяет устранить фазовую неоднородность на месте за счет разбавления концентрации V при введении небольших количеств Fe, но также компенсирует потерю прочности за счет упрочнения растворенным кислородом. Наши сплавы обладают пространственно однородной микроструктурой и механическими свойствами, которые превосходят свойства Ti-6Al-4V. Это исследование может помочь в разработке других сплавов, которые не только решают проблемы, присущие процессам АМ, но и используют возможности проектирования сплавов, предлагаемые АМ.

В отличие от традиционных процессов производства металлов, таких как литье и механическая обработка, аддитивное производство (АП) создает цифровую деталь слой за слоем путем плавления сырья (например, порошка или проволоки) с помощью источника высокой энергии (например, лазера, электронного луча или плазменная дуга)1,2. Эта уникальная особенность процессов АМ – палка о двух концах. С одной стороны, это дает возможность создавать желаемые формы, микроструктуры и свойства, которых иначе невозможно достичь с помощью традиционных методов производства3,4,5,6,7,8. С другой стороны, собственный крутой температурный градиент, высокая скорость охлаждения в сочетании со сложной термической историей, обычно встречающейся во время AM, часто приводят к пористости, сегрегации элементов, столбчатым зернам и неоднородно распределенным фазам в микроструктуре9,10,11. 12 – либо при затвердевании, либо в результате последующих фазовых превращений в твердом состоянии – которые приводят к неоднородным механическим свойствам в разных местах изготовленной металлической детали13,14,15,16,17. Проблемы, связанные с пористостью, сегрегацией элементов и столбчатыми зернами, эффективно решаются путем манипулирования параметрами обработки и/или составами сплавов18,19,20. Однако, поскольку фазовая неоднородность почти неизбежно возникает в сплавах, претерпевающих твердофазные превращения после затвердевания в процессе АМ, достижение единообразных механических свойств остается давней проблемой. Такие явления более выражены в металлических компонентах, изготовленных методом аддитивного производства, со сложной геометрией21, которые включают области, которые по-разному реагируют на механическую нагрузку, что приводит к непредсказуемым сбоям в работе.

Ti-6Al-4V является одним из типичных сплавов, которые демонстрируют пространственное изменение фаз вдоль направления сборки при аддитивном производстве22,23,24,25. Во время процесса АМ, такого как лазерная сварка порошкового слоя (L-PBF) (рис. 1а), после затвердевания первого слоя, Ti-6Al-4V подвергается твердотельному β (объемно-центрированная кубическая структура) → α' ( гексагональная закрытоупакованная структура) мартенситное превращение вследствие высокой скорости охлаждения. По мере добавления последовательных слоев первоначально образовавшийся игольчатый α'-мартенсит разлагается на пластинчатые (α + β) микроструктуры при длительных термических циклах (рис. 1а). Таким образом, обычно сообщается, что микроструктура Ti-6Al-4V, изготовленная с помощью L-PBF, имеет пространственно-зависимые фазы вдоль направления построения, с игольчатым α'-мартенситом на верхней поверхности, тогда как частично или полностью стабилизированные пластинчатые (α + β) микроструктуры образуют в нижних областях23,24,25. Такое градуированное распределение фазы также подтверждается данными сканирующего электронного микроскопа (SEM) (рис. 1b и дополнительные рисунки 1a, b) и рентгеновской дифракции (XRD) (дополнительный рисунок 2) в этой работе (Методы). Для выявления влияния фазовой неоднородности на механические свойства были проведены испытания образцов Ti-6Al-4V, изготовленных из L-PBF, на растяжение как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях при комнатной температуре (Методика). Исходный Ti-6Al-4V демонстрирует аналогичную прочность, но сильно разбросанную пластичность в обоих направлениях (рис. 1в). В частности, пластичность при растяжении (с точки зрения удлинения при растяжении до разрушения) в горизонтальном направлении заметно варьируется от 9,4% до 17,6%, причем наименьшее значение наблюдается на верхней поверхности. Эта тенденция в сочетании с подробным микроструктурным анализом (дополнительные рисунки 3–5 и дополнительное примечание 1) показывает, что пространственное распределение фазы является наиболее вероятной причиной наблюдаемой здесь сильно рассеянной пластичности. Это наблюдение также согласуется с распространенным мнением о том, что игольчатый α'-мартенсит обычно приводит к более низкой пластичности по сравнению с пластинчатой ​​(α + β) микроструктурой из-за его неспособности противостоять возникновению трещин24,26. За последнее десятилетие было проведено множество исследований по устранению нежелательного α'-мартенсита в титане Ti-6Al-4V, полученном аддитивным способом с помощью L-PBF, которые основаны либо на стратегии управления процессом, либо на разработке сплава. Первая стратегия обычно включает манипулирование термоциклированием L-PBF для запуска внутренней термообработки (IHT)27, которая способствует разложению мартенсита на месте24,27. Однако из-за ограниченного количества или отсутствия термических циклов, которым подвергаются верхние слои, игольчатый α'-мартенсит может лишь частично разложиться или даже остаться24,25. Поэтому фазовую неоднородность по направлению здания устранить невозможно. Хотя термообработка после АМ часто проводится для гомогенизации микроструктуры28, она, к сожалению, удлиняет производственный цикл и влияет на эффективность процессов АМ29. Следовательно, крайне желательно в первую очередь устранить фазовую неоднородность. Альтернативно, легирование Ti-6Al-4V на месте β-стабилизирующими элементами, например, Mo30, посредством элементарных порошков позволяет сформировать полноценную β-фазу, что приводит к высокой пластичности (хотя и за счет потери прочности). Однако образующиеся в результате нерасплавленные частицы добавки или резкая сегрегация элементов могут вызвать беспокойство по поводу достижения неоднородных и невоспроизводимых механических свойств31.