Влияние постобработки термической обработки на прочность аддитивных металлов

Аддитивное производство металлов: основа остаточного стресса и микроструктурной сложности

Аддитивное производство (AM) металлов, широко известное как 3D-печать металла, изменило производственный ландшафт, позволив изготовить сложные геометрии, которые невозможно или непомерно дорого производить с помощью обычных субтрактивных методов. Методы слияния порошковых слоев, такие как селективное лазерное плавление (SLM) и электронное лучевое плавление (EBM), строят компоненты слой за слоем из цифровой модели, предлагая свободу проектирования, эффективность материала и сокращение времени нахождения в свинце. Несмотря на эти преимущества, быстрое затвердевание и повторная тепловая циклизация, присущая процессу AM, вводят уникальные микроструктурные особенности и значительные остаточные напряжения, которые могут поставить под угрозу механические характеристики, особенно прочность.

Выплата между гибкостью конструкции и механической надежностью является центральной проблемой в широком внедрении аддитивных металлов. В качестве изготовленных деталей часто проявляются тонкая, неравновесная микроструктура с колоннообразными зернами, клеточными или дендритными структурами затвердевания и внутренней пористостью. Кроме того, крутые тепловые градиенты при печати создают растягивающие остаточные напряжения вблизи поверхности и сжимающие напряжения в интерьере. Эти напряжения могут превышать предел прочности материала, что приводит к искажению, растрескиванию или снижению несущей способности.

Поэтому термообработка после обработки не является дополнительным усовершенствованием, а важными шагами по адаптации микроструктуры, снятия напряжений и достижения желаемых механических свойств для критически важных применений в аэрокосмической промышленности, медицинских имплантатов, автомобилестроения и инструментария. Наиболее важным механическим свойством для проектирования против пластической деформации является прочность выхода - напряжение, при котором материал начинает деформироваться навсегда. Понимание того, как различные протоколы термообработки влияют на прочность выхода аддитивных металлов, жизненно важно для инженеров, преподавателей и студентов.

Металлургическая основа повышения силы удельного веса

Прочность удельного веса определяется способностью микроструктуры препятствовать движению дислокации. В металлах дислокации являются дефектами линий, которые позволяют пластической деформации при напряжениях, намного ниже теоретической прочности идеального кристалла. Укрепляющие механизмы - укрепление твердого раствора, затвердевание осадков, укрепление границ зерна (эффект Холла-Петча) и затвердевание - все работают, создавая препятствия, которые должны преодолеть дислокации.

Присадочно изготовленные металлы часто имеют стартовую микроструктуру, далекую от равновесия. Быстрые скорости охлаждения (104-106 К/с в SLM) подавляют контролируемые диффузией фазовые превращения, приводящие к перенасыщенным твердым растворам, метастабильным фазам и тонким клеточным структурам. Эти особенности могут обеспечить некоторую внутреннюю прочность, но они также оставляют материал уязвимым для релаксации напряжения и термической нестабильности при умеренных температурах. Послеобработка тепловых обработок позволяет материалу развиваться в направлении более стабильного состояния, разблокируя укрепляющие механизмы, которые не полностью реализованы в как построенном состоянии.

Например, в осадкоосадочных сплавах, таких как Inconel 718 или AlSi10Mg, встроенная микроструктура содержит высокую плотность дислокаций и тонкую шкалу сегрегации. Обработка раствором растворяет нежелательные фазы и гомогенизирует композицию, в то время как последующая обработка старения осаждает наноразмерные межметаллические частицы, которые действуют как мощные места для вывиха. Эта последовательность может повысить прочность выхода на 30-50% по сравнению с состоянием по мере сборки.

Обычные постобрабатывающие термические обработки для AM-металлов

Стрессовая помощь отжига

Первый и наиболее распространенный этап после обработки - отжига снятия напряжения. Часть нагревается до температуры ниже диапазона перекристаллизации (обычно 500-700°C для сталей и никелевых сплавов) и удерживается в течение 1-4 часов, за которым следует медленное или контролируемое охлаждение. Основная цель - уменьшить остаточные напряжения без значительного изменения структуры зерна. Снятие напряжения улучшает стабильность размеров и снижает риск искажения во время последующей обработки или обслуживания. Однако его влияние на прочность выхода обычно скромно - обычно небольшое увеличение из-за аннигиляции некоторых дислокаций и релаксации концентраций напряжения, которые в противном случае могли бы инициировать преждевременное извлечение.

Лечение раствора и старение

Для возрастно-затвердевающих сплавов обработка раствора является критическим шагом. Сплав нагревают до температуры, при которой все осадки растворяются в твердом растворе (обычно 950-1200°C для суперсплавов на основе никеля), затем быстро закаливают, чтобы сохранить перенасыщенный твердый раствор. Затем часть нагревают до промежуточной температуры (старение 600-800°C) в течение нескольких часов, чтобы осадить тонкую дисперсию когерентных или полукогерентных частиц. Этот двухэтапный процесс может резко увеличить прочность выхода - часто на 50% или более - путем создания высокой плотности препятствий, которые сопротивляются планированию дислокации.

Важные переменные включают температуру раствора, время выдержки, скорость закалки, температуру старения и время старения. Ожирение (длительный нагрев или более высокая температура) огрубляет осадки, снижая их эффективность усиления и приводя к снижению прочности выхода. Оптимальные параметры старения являются специфичными для сплавов и должны определяться с помощью систематических экспериментов или эталонных стандартов, таких как Руководство по термическому регулированию ASM.

Нормализация и отжиг

Для сталей и титановых сплавов, которые подвергаются твердотельным фазовым преобразованиям, нормализация включает нагревание выше температуры трансформации (например, аустенитизацию для сталей), за которым следует воздушное охлаждение. Это улучшает размер зерна и создает более однородную микроструктуру, которая может увеличить прочность на выходе благодаря эффекту Холла-Петча (меньшие зерна обеспечивают большую площадь границы зерна на единицу объема, препятствуя движению вывиха). Полное отжиг (медленное охлаждение печи) создает более мягкое, более пластичное состояние, которое может принести в жертву прочность для повышения прочности.

закаливание

Закалка применяется после закалки от высокой температуры для уменьшения хрупкости при сохранении большей части прочности. В мартенситоподобных нержавеющих сталях или инструментальных сталях закалка может превращать хрупкий мартенсит в закаленный мартенсит с тонкой дисперсией карбидов, одновременно увеличивая прочность и прочность выхода. Температура и время закалки должны контролироваться, чтобы избежать перевозбуждения, что снижает твердость.

Влияние параметров термообработки на силу удельного веса

Связь между параметрами термообработки и прочностью на выходе не является линейной.Для каждой системы сплавов существует окно обработки, которое максимизирует прочность, избегая при этом пагубных последствий, таких как рост зерна, хрупкость или образование нежелательных фаз.

Время и температура

В системах уплотнения осадков прочность выхода обычно увеличивается со временем старения до пика, затем уменьшается по мере того, как осадки грубеют (остовальдское созревание). Более высокие температуры старения ускоряют кинетику, но сдвигают пик в более короткие времена. Например, в аддитивно изготовленных AlSi10Mg прямая обработка старения при 160°C в течение 6 часов может увеличить прочность выхода от ~200 МПа (построенная) до ~280 МПа, в то время как старение при 180°C в течение 2 часов дает аналогичное увеличение, но рискует перестарение, если дольше.

Темпы охлаждения

Скорость охлаждения после обработки раствором определяет степень сохраняемой перенасыщенности. Медленное охлаждение позволяет формировать осадки при охлаждении (утолщение старения), что может снизить эффективность последующей стадии старения. Скорость увлажнения также влияет на уровни остаточного напряжения. Утолщение водой вызывает более высокие тепловые напряжения по сравнению с масляным или воздушным охлаждением, что может потребовать дополнительного снятия напряжения. Для некоторых сплавов АМ необходимо быстрое увлажнение, чтобы избежать образования хрупких межметаллических фаз на границах зерен.

Количество циклов

Многократные циклы старения или двойное старение (например, низкотемпературное предстарение с последующим высокотемпературным старением) иногда используются для создания двойного распределения осадков, улучшая как прочность, так и сопротивление ползучести. В AM Inconel 718 стандартная термообработка (раствор при 980 ° C, затем старение при 720 ° C в течение 8 часов + 620 ° C в течение 8 часов) дает прочность выхода ~ 1100 МПа по сравнению с ~ 800 МПа в встроенном состоянии. Исследования показали, что модифицированное двухэтапное старение может подтолкнуть это выше 1200 МПа при сохранении хорошей пластичности.

Сплавоспецифические соображения

Титановые сплавы (Ti-6Al-4V)

Ti-6Al-4V является наиболее широко используемым титановым сплавом в AM. Построенная микроструктура состоит из ацикулярного α'-мартенсита из-за быстрого охлаждения. Этот мартенсит имеет высокую прочность, но низкую пластичность. Снятие напряжения при 600-700°C в течение 1-2 часов превращает α' в тонкую α+β-ламеллярную структуру, увеличивая пластичность при сохранении или слегка увеличивая прочность выхода (от ~900 МПа до ~950 МПа). Выше β-трансуса (≈995 °C) микроструктура значительно огрубеет, уменьшая прочность выхода до ~800 МПа. Поэтому для высокопрочных применений предпочтительны субтрансусные обработки.

Никелевые суперсплавы (Inconel 718, Inconel 625)

Инконель 718 закаливается осадками γ'' (Ni3Nb) и γ' (Ni3(Al,Ti)) фазами. Построенная микроструктура содержит фазы лавесов и сегрегацию Nb, которые снижают прочность. Стандартная обработка раствором при 980 °C растворяет лавесы, а двухступенчатое старение осаждает мелкие γ'' и γ''. Прочность урожаев может увеличиваться примерно с 700-800 МПа (по мере сборки) до 1100-1200 МПа после полной термообработки. Перегрев выше 1020°C вызывает обширный рост зерна (до 1 мм), снижая прочность урожайности до менее 1000 МПа. ASM International предоставляет подробные рекомендуемые методы для этих сплавов.

Нержавеющие стали (17-4 PH, 316L)

17-4 PH (мартенситообразование) может быть подвергнут тепловой обработке с выходными прочностями, превышающими 1300 МПа. В качестве встроенного состояния часто содержится сохраненный аустенит, который снижает прочность. После обработки раствором при 1050 °C с последующим старением при 480°C (состояние H900) максимизируется осаждение богатых скоплений. Для 316L (состояние аустенита), которое не является возрастным, выходная прочность в как построенное состояние (400-600 МПа) уже выше, чем кованая из-за тонкой клеточной структуры и высокой плотности дислокации. Отжига после обработки при 800-1100°C снижает плотность дислокации и размер зерна огрубление, понижая прочность выхода до ~300 МПа; таким образом, для высокопрочного 316L тепловая обработка не рекомендуется, если не требуется снятие напряжения.

Механизмы изменения силы удельного веса: от остаточного стресса до фазовых трансформаций

Сами остаточные напряжения могут влиять на измерения прочности на выходе. В построенном состоянии остаточные напряжения на растяжение вблизи поверхности могут вызывать раннее выход под приложенной нагрузкой на растяжение, эффективно снижая кажущуюся прочность на выходе. Отжигание от напряжения смягчает эти поверхностные напряжения, часто давая скромное увеличение прочности на выходе на разрыв. И наоборот, сжимающие остаточные напряжения могут увеличивать кажущуюся прочность на выходе, но они, как правило, не полагаются на фактор проектирования, потому что они могут расслабляться в условиях эксплуатации.

Микроструктурная уточнение является более надежным маршрутом. Тонкая клеточная структура, наблюдаемая в SLM-обработанных металлах (размеры ячеек 0,5-2 мкм), действует аналогично границам зерна в препятствовании движению дислокации. Однако эти ячейки не являются границами высокоугольного зерна; они являются границами низкого угла, богатыми дислокациями. Тепловая обработка может аннигилировать эти дислокации, уменьшая плотность клеточной стенки и потенциально снижая прочность. Компромисс заключается в том, что если тепловая обработка также производит высокую плотность мелких осадков, чистый эффект - это увеличение прочности выхода. Ключ заключается в разработке тепловых обработок, которые сохраняют полезные мелкомасштабные функции при добавлении новых фаз укрепления.

Рост зерна является серьезной проблемой. Большинство сплавов АМ имеют колонную зерновую структуру, ориентированную вдоль направления сборки из-за эпитаксиального роста. Высокотемпературные растворы могут вызывать аномальный рост зерна, особенно при отсутствии частиц граничного защемления зерна. Например, в Ti-6Al-4V нагрев выше β-транзаса в течение длительных периодов может привести к тому, что размеры β-зерен превысят 500 мкм, резко снижая прочность выхода через эффект Холла-Петча. Контролируемые скорости нагрева и короткое время задержки могут смягчить это.

Исследование NIST на аддитивно изготовленном Inconel 625 показало, что прямая термическая обработка старения (без предварительной обработки раствором) увеличила прочность выхода на 30% по сравнению с состоянием по мере сборки, в то время как полный раствор и обработка старения увеличили его на 50%. Разница была связана с растворением фаз Лавеса на стадии раствора, что позволило более равномерное осаждение фаз укрепления. Это подчеркивает важность понимания композиции фазы по мере сборки.

Практические последствия для образования и промышленности

Педагоги, преподающие материаловедение или инженерное производство, должны подчеркнуть, что термообработка металлов АМ не является универсальным процессом. Стартовая микроструктура уникальна и очень чувствительна к параметрам сборки (лазерная мощность, скорость сканирования, толщина слоя, интервал между люками). Студенты должны научиться соотносить параметры процесса с встроенными характеристиками, а затем выбирать соответствующие циклы термообработки. Практические лабораторные занятия с использованием небольших купонов SLM, с последующей термообработкой в коробочной печи и испытанием на растяжение, могут закрепить эти концепции.

Практикующие специалисты отрасли сталкиваются с проблемой балансировки затрат, времени и производительности. Циклы термообработки деталей AM часто длиннее, чем для кованых компонентов из-за необходимости гомогенизации микросегрегации. Для предотвращения окисления реактивных сплавов, таких как титан, часто требуются вакуумные или инертные газовые печи. Для каждого применения необходимо оценить компромисс между полной обработкой раствора (которая может вызвать рост зерна) и прямым старением (которая может оставлять фазы Лавеса). Для некритических деталей может быть достаточно простого снятия напряжения, в то время как для аэрокосмических компонентов обязательна полная термообработка в соответствии со стандартами AMS.

Еще одним практическим соображением является искажение. Тонкие стенки АМ-частей особенно подвержены деформации при нагревании и закалке. Фиксация и использование пошагового нагревательного пандуса могут минимизировать это. В некоторых случаях горячее изостатическое прессование (HIP) сочетается с термической обработкой; HIP применяет высокое изостатическое давление при повышенной температуре, закрывая внутреннюю пористость при одновременном выполнении формы термообработки. HIP может улучшить как прочность, так и усталость жизни, но это добавляет значительные затраты и время цикла.

Данные о прочности на выходе для металлов AM с различными тепловыми обработками все чаще доступны в базах данных, таких как база данных свойств материала MatWeb. Однако инженеры должны проверять данные из конкретных партий машин и порошков, поскольку вариабельность партии к партии может быть значительной. Развитие на месте мониторинга и отношений между структурой процесса и свойством является активной областью исследований, которые в конечном итоге позволят прогнозировать прочность выхода после термической обработки.

Будущие направления: хвойная термическая обработка и расширенные характеристики

Поле движется в сторону специально разработанных тепловых обработок, которые учитывают локальную тепловую историю каждой области детали. Поскольку AM сборки имеют разные тепловые истории вблизи базовой пластины по сравнению с верхней, и вблизи контуров по сравнению с ядрами, однородная тепловая обработка печи может быть не оптимальной для всего компонента. Новые подходы включают лазерное ударное пининг, индукционный нагрев для локализованного снятия напряжения и диаграммы преобразования температуры времени, характерные для микроструктур AM.

Передовые методы характеристики - дифракция рассеяния электронов (EBSD), трансмиссионная электронная микроскопия (TEM) и синхротронная рентгеновская дифракция - дают новое представление о том, как осадки и рекристаллизация развиваются во время термической обработки. Например, исследования TEM in situ показали, что в аддитивно изготовленной AlSi10Mg эвтектическая сеть Si разрушается и сфероидизируется во время термической обработки, уменьшая прочность, если не контролируется должным образом. Эти идеи направляют разработку новых графиков термической обработки, которые максимизируют прочность при сохранении пластичности.

Для студентов и исследователей изучение взаимодействия между ориентацией сборки и реакцией на термическую обработку является плодородной темой. Например, части, построенные вертикально, часто демонстрируют различные сильные стороны выхода после термической обработки по сравнению с горизонтально построенными частями из-за анизотропной колоннальной структуры зерна. Понимание этой анизотропии может привести к разработке стратегий ориентации в сочетании с пользовательскими тепловыми обработками для достижения изотропных или индивидуальных механических свойств.

Заключение

Постобработка термообработки незаменима для оптимизации прочности на выходе аддитивных металлов. Последовательно построенная микроструктура, характеризующаяся остаточными напряжениями, тонкими клеточными структурами и неравновесными фазами, обеспечивает уникальную отправную точку, которая по-разному реагирует на термическую обработку по сравнению с коваными материалами. Отжигание от напряжения, обработка раствора и старение, нормализация и закалка каждого предлагают различные преимущества и проблемы. Выбор соответствующих параметров - температура, время, скорость охлаждения и число цикла - должен быть основан на глубоком понимании фазовых преобразований сплава и желаемого профиля свойств. Для педагогов, включение этих знаний в учебную программу готовит будущих инженеров к разработке надежных компонентов AM. Для промышленности строгая проверка тепловой обработки является ключом к раскрытию полного потенциала металлического аддитивного производства в нагрузочных приложениях. По мере созревания технологии, разработка адаптированных, технологически сознательных тепловых обработок будет продолжать раздвигать границы прочности на выходе, достижимой в аддитивных металлах.