Метастабильные CrMnNi стали, обработанные лазерной плавкой в ​​порошковом слое: экспериментальная оценка элементарных механизмов, влияющих на микроструктуру, свойства и остаточные напряжения

Том 12 научных докладов, Номер статьи: 21862 (2022) Цитировать эту статью

1475 Доступов

2 цитаты

10 Альтметрика

Подробности о метриках

Известно, что сложная термическая история, создаваемая процессом лазерного плавления металлов в порошковом слое (PBF-LB/M), способствует развитию уникальных микроструктур. В настоящей работе на станке ПБФ-ЛБ/М изготавливаются метастабильные CrMnNi стали с различным содержанием никеля и, следовательно, с разной фазовой стабильностью. Результаты ясно показывают, что адекватный выбор материалов позволит адаптировать механические свойства, а также состояния остаточного напряжения в готовом материале, чтобы в конечном итоге исключить любую последующую термическую обработку. Химические различия приводят к различному фазовому составу в исходном состоянии и, таким образом, влияют на эволюцию микроструктуры и элементарные механизмы деформации при деформации, т. е. на двойникование и мартенситное превращение. Такие сплавы, разработанные для аддитивного производства (АП), подчеркивают возможность решения хорошо известных проблем в АП, таких как ограниченная устойчивость к повреждениям, пористость и вредные остаточные напряжения без проведения какой-либо последующей обработки, например, снятия напряжений и горячего изостатического прессования. С точки зрения надежной конструкции компонентов аддитивного производства это действительно кажется очень эффективным подходом к адаптации материала к характеристикам процесса аддитивного производства.

За последнее десятилетие процессы аддитивного производства (АП), такие как лазерная сварка металлов в порошковом слое (PBF-LB/M) (также известная как лазерная сварка в порошковом слое (LPBF) или селективное лазерное плавление (SLM)), эволюционировали из методы, используемые только для прототипирования для непосредственного производства. Послойное наращивание в сочетании с беспрецедентной свободой проектирования привлекательны для многих отраслей промышленности, например, аэрокосмической и медицинской техники. Особенно преимуществом является производство без инструментов, например, с точки зрения индивидуализации, мелкосерийного производства и расширенной оптимизации топологии, которые имеют первостепенное значение для легких деталей1.

Свойственные процессу условия охлаждения и динамика ванны расплава, соответственно, в процессе PBF-LB/M часто приводят к образованию уникальных микроструктур; однако положительные характеристики обычно сопровождаются вредными остаточными напряжениями и дефектами материала, такими как пористость2,3,4. Высокие напряжения можно объяснить небольшими размерами ванны расплава и высокими скоростями охлаждения. Пористость часто возникает из-за неподходящего сочетания параметров процесса или может быть вызвана самим порошком. Благодаря различным промышленным секторам титановый сплав Ti6Al4V, суперсплав на основе никеля Inconel 718 (IN718) и аустенитная нержавеющая сталь 316L оказались в центре внимания многочисленных исследований, и соответствующие взаимосвязи «процесс-свойство» были подробно изучены5,6,7,8. За последние годы ассортимент сплавов, обрабатываемых технологиями AM, быстро расширился: например, в центре внимания исследований оказались алюминиевые сплавы, инструментальные стали и даже «умные» материалы9,10,11,12,13. Металлы АМ могут характеризоваться механическими свойствами, отличными от аналогов, изготавливаемых традиционным способом, например, повышенной прочностью или даже изменением модуля Юнга14,15. В процессе PBF-LB/M микроструктура сплавов типа 316L имеет тенденцию к образованию крупных зерен. Эти зерна, которые в основном вытянуты в направлении построения (BD), приводят к развитию предпочтительной кристаллографической ориентации, что в конечном итоге приводит к анизотропным механическим свойствам16,17. Развитие таких анизотропных микроструктур в основном объясняется направленным тепловым потоком, эпитаксиальным затвердеванием/ростом и быстрым охлаждением, а также отсутствием какого-либо фазового превращения в процессе охлаждения. Подобная микроструктурная эволюция, т.е. крупные зерна и прочная текстура, была показана для IN718, обработанного методом PBF-LB/M, а также электронно-лучевой сваркой металлов в порошковом слое (PBF-EB/M)18,19. Аустенитные стали с крупным зерном обычно демонстрируют высокую пластичность в ущерб прочности. Однако 316L, изготовленный аддитивным способом, демонстрирует значительно более высокий предел текучести (YS) в сочетании с высокой пластичностью по сравнению с аналогами, изготовленными традиционным способом. Это связано с тем, что субзеренная структура в конечном итоге увеличивает прочность в соответствии с соотношением Холла-Петча20. Таким образом, PBF/LB-M представляет собой многообещающий процесс, позволяющий преодолеть компромисс между прочностью и пластичностью21,22.