ترکیب شیمیایی آلیاژ GH3536 و فرآیند عملیات حرارتی
آلیاژ GH3536 یک آلیاژ با دمای بالا مبتنی بر نیکل است که عمدتاً محلول جامد است که با کروم و مولیبدن تقویت شده است (مارک مربوطه Hastelloy-X است). این مقاومت در برابر اکسیداسیون و مقاومت در برابر خوردگی خوب است و همچنان دوام متوسط و مقاومت خزشی در 900 درجه دارد. مناسب برای ساخت اجزای داغ سازه‌های خدماتی با دمای بالا، مانند مخروط‌های دم، لوله‌های خروجی گرداب و محفظه‌های نازل احتراق. با این حال، شکل چنین قطعاتی پیچیده است و اغلب کانال های جریان یا ساختارهای متخلخل داخل آن وجود دارد. فرآیندهای سنتی عمدتاً از جوش های متعدد ساخته می شوند که نه تنها اطمینان از دقت ابعادی دشوار است، بلکه بر پایداری جریان گاز نیز تأثیر می گذارد. حتی از طریق آهنگری دقیق، پاسخگویی به نیازهای صنعت تولید دشوار است. ذوب لیزری انتخابی (SLM) فناوری است که از لیزر به عنوان منبع گرما برای دستیابی به یکپارچگی قطعات بسیار پیچیده با ذوب لایه‌های پودر فلز نقطه به نقطه، همپوشانی خط به خط، و جامد شدن و تجمع لایه به لایه استفاده می‌کند. فناوری «شکل شبکه نزدیک» مشکل گلوگاه را که پردازش قطعات آلیاژی GH3536 را محدود می‌کند، حل کرده است. با این حال، از آنجایی که پودر آلیاژ نیاز به تکمیل ذوب، انجماد و خنک شدن در یک زمان اندرکنش بسیار کوتاه خاص در طول فرآیند تشکیل SLM دارد، گرادیان دمایی بسیار بالا ناشی از ورودی گرمای موضعی و تنش باقیمانده بزرگ تولید شده در طول فرآیند انجماد منجر به عیوب ساختاری در آلیاژ تفکیک با مواد تشکیل دهنده بنابراین، قطعات تشکیل‌شده از ذوب لیزر انتخابی معمولاً برای ترمیم عیوب داخلی آلیاژ، تنظیم ترکیب و ساختار ریزساختار و بهبود خواص مکانیکی آلیاژ نیاز به عملیات پس از حرارت دارند.
انتخاب مواد آزمایشی
این آزمایش از پودر آلیاژ کروی GH3536 به عنوان ماده خام برای رسوب SLM استفاده می کند. ترکیب شیمیایی پودر آلیاژ در شکل زیر نشان داده شده است که شرایط ترکیب آلیاژ دمای بالا GH3536 را بر حسب GB/T{3}} برآورده می کند.
تجزیه و تحلیل نتایج
(1) خواص کششی دمای اتاق آلیاژ GH3536 در حالت های مختلف عملیات حرارتی
آزمایش‌های کششی دمای اتاق بر روی نمونه‌های SLM، نمونه‌های ST و نمونه‌های HIP تهیه‌شده در جهات مختلف انجام شد و با استاندارد صنعتی HB 5497-1992 مقایسه شد. استحکام کششی و استحکام تسلیم سه نمونه در جهت عرضی/طولی در دمای اتاق همگی فراتر از الزامات استانداردهای آهنگری است، اما ازدیاد طول متفاوت است. استحکام کششی نمونه SLM در جهت عرضی 769 مگاپاسکال است که 58 مگاپاسکال بیشتر از جهت طولی است. استحکام تسلیم عرضی 465 مگاپاسکال است که 44 مگاپاسکال بیشتر از آن در جهت طولی است. ازدیاد طولی 27.81% است که 7.21% بیشتر از آن در جهت عرضی است. یعنی نمونه SLM در دمای اتاق ناهمسانگردی در خواص کششی وجود دارد. همانطور که همه ما می دانیم، خواص کششی آلیاژها نه تنها تحت تأثیر ویژگی های ذاتی ماده است، بلکه به ریزساختار نیز مربوط می شود. برای نمونه های تشکیل شده از SLM، تاثیر مرز حوضچه مذاب باید در نظر گرفته شود. ریزساختار نمونه SLM را می توان به عنوان یک ترکیب توزیع پراکنده از "زیر دانه های ستونی مرزی حوض مذاب-فوق العاده ظریف" در نظر گرفت. به طور کلی، هرچه دانه ها کوچکتر باشند، استحکام کششی بالاتر و انعطاف پذیری بهتری دارند. ناحیه احاطه شده توسط مرز استخر مذاب از بلورهای ستونی باریک تشکیل شده است که به طور مساوی توزیع شده اند و از استحکام بالا و انعطاف پذیری خوب نمونه SLM اطمینان می دهند. با این حال، مرز حوضچه مذاب توزیع شده تا حد زیادی بر انعطاف پذیری نمونه SLM تأثیر می گذارد. از آنجایی که عملکرد پیوند خود مرز حوضچه مذاب ضعیف تر از مرز دانه است، و یک "منطقه دانه درشت" محلی در مرز حوضچه مذاب در ناحیه همپوشانی حوض مذاب وجود دارد، مرز حوضچه مذاب به ناحیه ضعیف تبدیل می شود. مثال. هنگامی که نمونه SLM دچار تغییر شکل پلاستیکی می شود، ترجیحاً در امتداد مرز حوضچه مذاب می لغزد. تعداد مرزهای حوضچه مذاب (طول) در بخش طولی نمونه در واحد سطح بسیار بیشتر از مقطع عرضی است، به این معنی که وقتی نمونه SLM در امتداد جهت طولی کشیده می شود، تغییر شکل پلاستیک آسان تر است. بنابراین خواص ماکروسکوپی بیشتری را نشان می دهد. کشیدگی عالی، اما استحکام کششی کمی کمتر از جهت عرضی است.
استحکام کششی و استحکام تسلیم نمونه ST در جهت عرضی به ترتیب 695 و 382 مگاپاسکال و ازدیاد طول 31.13 درصد است. خواص مکانیکی در امتداد جهت طولی اساساً مشابه خواص در جهت عرضی است که با مشاهده مشابه بودن ریزساختار عرضی/طولی مطابقت دارد. حذف مرز حوضچه مذاب دلیل اصلی ناپدید شدن ناهمسانگردی در خواص کششی نمونه ST است. تیمار محلول جامد نقایصی مانند منافذ و ترک‌های موجود در نمونه رسوب‌شده را از بین می‌برد و تیمار با دمای بالا باعث افزایش میزان آستنیت در ساختار می‌شود و در نتیجه افزایش قابل‌توجهی در کشیدگی نمونه ST در مقایسه با جانبی افزایش می‌یابد. طویل شدن نمونه SLM افزایش 10.53 درصدی. با این حال، تیمار محلول جامد باعث تبلور مجدد دانه‌های آلیاژ شده و در دماهای بالا رشد می‌کند و در نتیجه استحکام شکست کششی و استحکام تسلیم کاهش می‌یابد. رفتار مکانیکی کششی نمونه HIP در دمای اتاق مشابه نمونه ST است، اما مقاومت کششی عرضی/طولی تقریباً 728 مگاپاسکال و استحکام تسلیم 429 مگاپاسکال است. اگرچه استحکام کششی حدود 41 مگاپاسکال کمتر از مقاومت کششی عرضی نمونه SLM است، اما 11 مگاپاسکال بیشتر از مقاومت کششی طولی آن است. نرخ ازدیاد طول به 38.65 درصد می رسد که 7.52 درصد بیشتر از نمونه ST و 38.9 درصد بیشتر از نرخ کشیدگی طولی نمونه SLM است. استحکام نمونه HIP به طور قابل توجهی مانند نمونه ST کاهش پیدا نکرد که عمدتاً به دلیل حذف عیوب داخلی در آلیاژ و تغییر در مورفولوژی مرز دانه بود.
از یک طرف، چگالی نمونه پس از پرس ایزواستاتیک داغ بیشتر از نمونه ST است. از سوی دیگر، M23C6 زنجیره مانند رسوب در مرز دانه نمونه HIP می تواند به طور موثری از حرکت دررفتگی در طول فرآیند تغییر شکل جلوگیری کند، بنابراین استحکام آلیاژ را بهبود می بخشد. اگرچه کاربیدهای مرز دانه به عنوان یک فاز شکننده می توانند به راحتی در طول فرآیند کششی منشاء ترک شوند، مرزهای دانه های منحنی زیگزاگی تشکیل شده توسط آنها مانع از شروع و گسترش ترک ها می شود. این به این دلیل است که مرزهای دانه های منحنی ناهموار ناهموار هستند و باعث ایجاد اثر در هم تنیدگی بین صفحات کریستالی دانه های مجاور می شود. لغزش مرزهای دانه‌ها بین یکدیگر در طول فرآیند تغییر شکل دشوار است و قسمت‌های درون دانه‌ای با استحکام بالاتر را مجبور می‌کند در تغییر شکل شرکت کنند، در نتیجه تنش آرام در مرز دانه‌ها رخ می‌دهد و مانع از شروع ترک‌ها می‌شود. مطالعات نشان داده است که در طول فرآیند انتشار ترک، مرزهای دانه دندانه دار می تواند باعث شود که زاویه بین ترک و فصل مشترک دانه از زاویه برخورد اولیه خود منحرف شود و مسیر انتشار ترک در امتداد فصل مشترک پیچیده تر و ناهموارتر شود. این بدان معناست که مرزهای منحنی دانه‌ای ناهموار باعث می‌شود که ترک‌ها به جای انتشار در امتداد فصل مشترک دانه‌ها، احتمال انتشار ترک‌ها را از طریق فصل مشترک دانه‌ها بیشتر کنند و در نتیجه آلیاژ را به طور مؤثر سفت می‌کنند.
(2) تجزیه و تحلیل مورفولوژی شکست کششی دمای اتاق آلیاژ GH3536 در حالت های مختلف عملیات حرارتی
مکانیسم‌های شکست سه نمونه، همگی شکستگی‌های شکل‌پذیر با ریز منافذ هستند، با فرورفتگی‌های هم محور بیضی شکل که در امتداد سطح شکستگی توزیع شده‌اند، اما اندازه و عمق فرورفتگی‌ها متفاوت است. در میان آنها، ساختار گودی نمونه SLM بسیار کوچک است، با قطر متوسط تنها حدود 0.5 میکرومتر و عمق کم. پوشیدن ترک های مرزی حوض مذاب نیز می تواند مشاهده شود، و سطح قوس گاوسی حوضچه مذاب به وضوح قابل مشاهده است، که نشان می دهد ترک ها در امتداد مرز حوضچه مذاب شروع و گسترش می یابند. این همچنین از منظر دیگری ثابت می کند که مرز حوض مذاب جزء مهم مکانیک سازمانی است. مناطق ضعیف عملکرد در طول فرآیند تغییر شکل پلاستیکی نمونه عرضی SLM، غلظت تنش موضعی نیروی پیوند اتم‌ها را از بین می‌برد و منافذ تشکیل می‌دهد. با ادامه تغییر شکل، این ریز منافذ رشد می کنند و به یکدیگر متصل می شوند تا شکاف ایجاد کنند. وجود مقدار کمی گودی ریز نشان می دهد که شکستن نمونه در اینجا به دلیل گسترش ریزترک های ایجاد شده در فرآیند شکل دهی SLM است که کمتر در تغییر شکل پلاستیک در طول فرآیند تغییر شکل شرکت می کند و در نتیجه باعث می شود نمونه SLM کمتر شود. در جهت عرضی طویل شدن
اندازه گودی‌ها در سطح شکست نمونه ST {{0}} است.8-1.0 میکرومتر و به طور مساوی توزیع شده است، که ویژگی‌های شکستگی نوع فرورفتگی را نشان می‌دهد و نشان می‌دهد که آلیاژ دارای کشیدگی خوب پس از عملیات پرس ایزواستاتیک داغ، تعداد گودی ها در سطح شکست نمونه HIP به طور قابل توجهی افزایش یافت و اندازه نیز به حدود 2 میکرومتر افزایش یافت. در مقایسه با نمونه‌های SLM، وجود مرزهای دانه‌های منحنی زیگزاگ باعث فعال شدن سیستم لغزش در ماتریس اطراف، کاهش غلظت تنش در مرزهای دانه‌ها و توزیع یکنواخت تغییر شکل پلاستیک می‌شود. بنابراین، نمونه HIP بهترین مقاومت کششی در دمای اتاق را نشان می دهد. عملکرد، که با نتایج تست کشش فوق الذکر مطابقت دارد. هنگامی که مواد کششی دارای پلاستیسیته خوبی باشد، نیروی اتصال بین دانه‌ها با جهت‌گیری‌های مختلف بیشتر می‌شود، که باعث می‌شود پس از لغزش همزمان آنها در امتداد چندین صفحه لغزش متقاطع، نابجایی ایجاد شود. این همچنین از طرفی نشان می دهد که نمونه HIP دارای توانایی تغییر شکل پلاستیک عالی است.
در نتیجه
(1) ریزساختار نمونه رسوب‌شده آلیاژ GH3536 که توسط ذوب لیزری انتخابی تشکیل شده است عمدتاً از مرزهای حوضچه مذاب و زیردانه‌های ستونی بسیار ریز تشکیل شده است. حوضچه مذاب یک توزیع فلس مانند ماهی در امتداد جهت رسوب ارائه می دهد که آشکارا با توزیع نوار مانند در جهت اسکن لیزری متفاوت است. تعداد کمی منافذ و ریز ترک های نامنظم در داخل وجود دارد.
(2) پس از اینکه نمونه‌های SLM با محلول جامد و فشار ایزواستاتیک داغ تحت درمان قرار گرفتند، مورفولوژی مرزی استخر مذاب نمونه‌های آلیاژی ناپدید شد. چگالی ST 3.9٪ بیشتر از نمونه SLM است، و ریزساختار از دانه‌های هم محور با اندازه‌های مختلف توزیع شده و بدون بارش فاز دوم تشکیل شده است. ریزساختار نمونه HIP مشابه نمونه ST با چگالی 94.1 درصد است.
(3) شکستگی‌های سه نمونه، همه شکستگی‌های معمولی از نوع فرورفتگی هستند. خواص کششی نمونه‌های SLM ناهمسانگرد است که ناشی از توزیع متفاوت مرز حوض مذاب است که در طی فرآیند رسوب‌گذاری در جهت عرضی/عمودی ایجاد می‌شود. استحکام کششی و استحکام تسلیم نمونه ST کاهش یافت، اما ازدیاد طول به 31.13 درصد افزایش یافت. استحکام کششی و استحکام تسلیم کمتر کاهش یافت و ازدیاد طول به 38.65 درصد رسید که مربوط به مرزهای دانه منحنی تشکیل شده در طول فرآیند HIP است.
