Ảnh hưởng của chu trình nhiệt đến độ ổn định bề mặt của hợp kim titan được sản xuất phụ gia
Giới thiệu về chu trình nhiệt trong sản xuất bồi đắp
Sản xuất phụ gia (AM) của hợp kim titan bao gồm một lịch sử nhiệt độc đáo được đặc trưng bởi quá trình hóa rắn nhanh và chu trình nhiệt lặp đi lặp lại trong quá trình lắng đọng lớp liên tiếp. Không giống như quá trình gia công rèn thông thường, mỗi lớp lắng đọng trải qua nhiều chu kỳ gia nhiệt và làm mát khi các lớp tiếp theo được tạo ra trên đó, tạo ra các chuyển động nhiệt phức tạp ảnh hưởng sâu sắc đến sự phát triển cấu trúc vi mô và độ ổn định bề mặt.
Sự hình thành các cấu trúc giao diện
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 độ ) và tạo ra các màng có kích thước nano dọc theo -ranh giới lati. Những màng này, được làm giàu bằng vanadi (một -yếu tố ổn định), tạo thành các giao diện / mạch lạc đóng vai trò là rào cản hiệu quả đối với chuyển động lệch vị trí và góp phần đáng kể vào độ bền cao của hợp kim.
Ảnh hưởng của chu trình nhiệt đến độ ổn định của giao diện
1. Chuyển động giao diện và phân phối lại chất tan
Trong quá trình chu trình nhiệt-cơ học từ 400 độ đến 700 độ , giao diện / thể hiện chuyển động động được thúc đẩy bởi quá trình phân phối lại chất tan. Các nghiên cứu về bức xạ synchrotron đã tiết lộ rằng các dao động nhiệt lặp đi lặp lại gây ra:
Sự gia tăng biến dạng mạng của đỉnh (110) và sự mở rộng tham số mạng thành a=3.22 Å
Tỷ lệ pha tăng lên khoảng 3,5% ± 0,01%
Những thay đổi động về cấu hình nồng độ vanadi trên giao diện /
Chụp cắt lớp đầu dò nguyên tử xác nhận rằng nồng độ vanadi ở vùng trung tâm pha đạt 22,4 ± 0,19 at.%, với cấu hình nồng độ V thay đổi linh hoạt khi giao diện di chuyển qua lại để duy trì độ ổn định pha. Mô hình động học dựa trên khuếch tán{4}}(DICTRA) chứng minh rằng chuyển động / giao diện trở nên rõ ràng hơn đáng kể khi chênh lệch năng lượng dự trữ 400–500 J/mol được đưa vào pha HCP, hỗ trợ quan sát thử nghiệm hành vi giao diện động trong chu trình nhiệt.
2. Sự suy giảm giao diện phụ thuộc-về nhiệt độ
Độ ổn định của / giao diện trong AM Ti{2}}6Al-4V phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ:
Ở mức 500 độ trở xuống:Các giao diện / vẫn tương đối sắc nét và ổn định. Các lớp màng nano-giữ được sự kết hợp giữa các bề mặt và tiếp tục đóng vai trò là rào cản trượt hiệu quả. Cấu trúc vi mô chủ yếu bị chi phối bởi quá trình phục hồi được kích hoạt bằng nhiệt, với sự xoắn là cơ chế biến dạng chủ yếu.
Trên 700 độ:Sự suy thoái bề mặt trên diện rộng xảy ra, đặc trưng bởi:
-sự phân mảnh của lamella và sự uốn cong nghiêm trọng
-xâm nhập pha dọc theo ranh giới / mới được hình thành, phá vỡ các lớp xen kẽ liên tục ban đầu
Mất sự gắn kết giữa các bề mặt do quá trình di chuyển và phục hồi ranh giới
Quá trình tạo mầm tái kết tinh động được tăng tốc (cả DDRX không liên tục và CDRX liên tục) tại các vùng bị ảnh hưởng-gắn
Sự mất ổn định phụ thuộc vào nhiệt độ này của các lớp màng nano-tạo điều kiện thuận lợi cho việc truyền trượt được nâng cao và điều chỉnh biến dạng cục bộ, dẫn đến làm mềm dòng chảy nhanh chóng và giảm đáng kể hiệu suất cơ học.
3. Sự hòa tan Martensite và chuyển pha
Chu kỳ nhiệt cũng ảnh hưởng đến sự ổn định của các pha không{0} cân bằng được hình thành trong quá trình đông đặc nhanh chóng. Martensite (m), hình thành trong quá trình làm lạnh nhanh trong quy trình AM, bắt đầu hòa tan ở nhiệt độ thấp tới 350–400 độ. Khi hâm nóng trong các chu kỳ nhiệt tiếp theo, m biến đổi thành cấu trúc + ổn định hơn. Sự hòa tan này là một quá trình chậm, được kiểm soát khuếch tán{7}}, làm thay đổi hơn nữa tính chất hóa học bề mặt cục bộ và độ ổn định của cấu trúc vi mô.
Cơ chế tiến hóa vi cấu trúc
Tỷ lệ HAGB cao trong AM Ti-6Al-4V (khoảng 80,8% tổng ranh giới) đóng một vai trò quan trọng trong sự ổn định giao diện trong chu trình nhiệt:
HAGB là nguồn gây trật khớp và chìm:HAGB dồi dào thúc đẩy sự phồng lên và di chuyển ranh giới, hạ thấp rào cản tạo mầm cho quá trình tái kết tinh động không liên tục (DDRX)
Tăng cường khả năng di chuyển ranh giới:Ở các vùng bị ảnh hưởng{0}}kink, sự mất ổn định cục bộ tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình tạo mầm DDRX, đẩy nhanh quá trình phân hủy cấu trúc lớp ban đầu
Tương phản với hợp kim rèn:Ti{2}}6Al-4V được rèn chứa tỷ lệ ranh giới hạt góc thấp (LAGB) lớn hơn nhiều, hạn chế tính di động của ranh giới và ưu tiên xoay hạt con dần dần (CDRX) thay vì mất ổn định giao diện nhanh chóng
Ở 700 độ, sự di chuyển và lệch vị trí ranh giới được kích hoạt bằng nhiệt làm giảm thêm rào cản tạo mầm cho DDRX trong các cấu trúc vi mô AM giàu HAGB-, trong khi CDRX vẫn là con đường tái kết tinh chính trong các hợp kim rèn có cấu trúc được điều khiển LAGB{2}}.
Ý nghĩa đối với hiệu suất dịch vụ
Sự mất ổn định giao diện do chu trình nhiệt-gây ra có ý nghĩa quan trọng đối với ứng dụng đáng tin cậy của hợp kim titan AM trong môi trường-nhiệt độ cao:
Duy trì sức mạnh:Trong khi AM Ti{4}}6Al-4V thể hiện cường độ năng suất nén vượt trội ở nhiệt độ phòng và nhiệt độ trung bình (300–500 độ) do cấu trúc thanh mảnh và các bề mặt/giao diện ổn định, độ ổn định nhiệt của nó giảm đáng kể trên 700 độ do bề mặt bị suy giảm và mềm đi nhanh chóng.
Hiệu suất mệt mỏi:Sự phá vỡ các mặt phân cách/kết hợp và sự hình thành các hạt kết tinh lại có thể tạo ra các vị trí bắt đầu và lan truyền vết nứt, có khả năng ảnh hưởng đến tuổi thọ mỏi.
Khả năng chống leo:Tỷ lệ HAGB cao và sự tích tụ sai lệch cục bộ tại các ranh giới -, ban đầu có lợi cho khả năng chống rão, trở nên mất ổn định khi các bề mặt phân cách mất đi tính kết hợp trong chu trình nhiệt.
Chiến lược giảm thiểu
Để tăng cường độ ổn định bề mặt trong điều kiện chu trình nhiệt, một số phương pháp đang được nghiên cứu:
Xử lý nhiệt sau-công trình:Các phương pháp xử lý nhiệt có kiểm soát có thể ổn định cấu trúc vi mô bằng cách đồng nhất hóa sự phân bố chất tan và giảm ứng suất dư từ chu trình nhiệt
Tối ưu hóa tham số quy trình:Điều chỉnh các chiến lược lắng đọng (ví dụ: thời gian dừng, lập kế hoạch đường dẫn) để đạt được lịch sử nhiệt đồng đều hơn và ngăn chặn sự gia nhiệt quá mức, dẫn đến cấu trúc thanh -mịn hơn, ổn định hơn
Gia công cơ nhiệt:Kết hợp AM với-rèn tại chỗ hoặc biến dạng giữa các lớp để tinh chỉnh cấu trúc hạt và cải thiện độ ổn định của giao diện
Phần kết luận
Chu trình nhiệt trong sản xuất bồi đắp hợp kim titan tạo ra trạng thái cấu trúc vi mô độc đáo với tỷ lệ cao các ranh giới hạt góc-cao và các lớp màng nano-tại / giao diện. Mặc dù các tính năng này cung cấp độ bền nhiệt độ-phòng tuyệt vời nhưng chúng thể hiện độ ổn định nhiệt hạn chế trên 700 độ, trong đó độ kết hợp giao diện bị suy giảm do -xâm nhập pha, di chuyển ranh giới và kết tinh lại động. Việc hiểu rõ các cơ chế phát triển giao diện phụ thuộc vào nhiệt độ-này là điều cần thiết để tối ưu hóa thiết kế quy trình AM và đảm bảo hiệu suất đáng tin cậy của các thành phần Ti-6Al-4V trong môi trường dịch vụ đòi hỏi khắt khe.
