องค์ประกอบทางเคมีของโลหะผสม GH3536 และกระบวนการบำบัดความร้อน
โลหะผสม GH3536 เป็นโลหะผสมที่มีอุณหภูมิสูงจากนิกเกิลซึ่งส่วนใหญ่เป็นสารละลายของแข็งเสริมด้วยโครเมียมและโมลิบดีนัม (แบรนด์ที่เกี่ยวข้องคือ Hastelloy-X) มีความต้านทานการเกิดออกซิเดชันและความต้านทานการกัดกร่อนได้ดี และยังคงมีความทนทานปานกลางและความแข็งแรงของการคืบที่ 900 องศา เหมาะสำหรับการผลิตส่วนประกอบแบบ hot-end ของโครงสร้างการบริการที่มีอุณหภูมิสูง เช่น โคนส่วนท้าย ท่อไอเสียแบบวอร์เท็กซ์ และเรือนหัวฉีดเผาไหม้ อย่างไรก็ตาม รูปร่างของชิ้นส่วนดังกล่าวมีความซับซ้อน และมักมีช่องการไหลหรือโครงสร้างที่มีรูพรุนอยู่ข้างใน กระบวนการแบบเดิมๆ ส่วนใหญ่ทำจากการเชื่อมหลายจุด ซึ่งไม่เพียงแต่ยากต่อการรับรองความถูกต้องของมิติเท่านั้น แต่ยังส่งผลต่อความเสถียรของการไหลของก๊าซอีกด้วย แม้จะผ่านการตีขึ้นรูปด้วยความแม่นยำ แต่ก็เป็นเรื่องยากที่จะตอบสนองความต้องการของอุตสาหกรรมการผลิต การหลอมด้วยเลเซอร์แบบเลือกสรร (SLM) เป็นเทคโนโลยีที่ใช้เลเซอร์เป็นแหล่งความร้อนเพื่อให้เกิดการรวมชิ้นส่วนที่มีความซับซ้อนสูงเข้าด้วยกัน โดยการหลอมชั้นผงโลหะทีละจุด การทับซ้อนกันทีละบรรทัด และการแข็งตัวและการสะสมชั้นโดยชั้น เทคโนโลยี "Near Net Shape" ช่วยแก้ปัญหาคอขวดที่จำกัดการประมวลผลชิ้นส่วนโลหะผสม GH3536 อย่างไรก็ตาม เนื่องจากผงโลหะผสมจำเป็นต้องทำการหลอม การแข็งตัว และการทำให้เย็นลงภายในระยะเวลาอันสั้นมากในระหว่างกระบวนการขึ้นรูป SLM การไล่ระดับอุณหภูมิที่สูงมากซึ่งเกิดจากการป้อนความร้อนเฉพาะที่ และความเค้นตกค้างขนาดใหญ่ที่เกิดขึ้นในระหว่างกระบวนการทำให้แข็งตัวจะนำไปสู่ ข้อบกพร่องทางโครงสร้างในโลหะผสม การแยกส่วนด้วยส่วนผสม ดังนั้น ชิ้นส่วนที่ขึ้นรูปด้วยการหลอมด้วยเลเซอร์แบบคัดเลือกมักจะต้องมีการบำบัดหลังการให้ความร้อนเพื่อซ่อมแซมข้อบกพร่องภายในของโลหะผสม ควบคุมองค์ประกอบและโครงสร้างของโครงสร้างจุลภาค และปรับปรุงคุณสมบัติทางกลของโลหะผสม
การเลือกวัสดุทดลอง
การทดลองนี้ใช้ผงโลหะผสม GH3536 ทรงกลมที่ละอองลอยเป็นวัตถุดิบสำหรับการสะสม SLM องค์ประกอบทางเคมีของผงโลหะผสมแสดงไว้ในภาพด้านล่าง ซึ่งตรงตามข้อกำหนดองค์ประกอบของโลหะผสมอุณหภูมิสูง GH3536 ในหน่วย GB/T14992-2005
การวิเคราะห์ผลลัพธ์
(1) คุณสมบัติแรงดึงที่อุณหภูมิห้องของโลหะผสม GH3536 ในสถานะการรักษาความร้อนที่แตกต่างกัน
การทดสอบแรงดึงที่อุณหภูมิห้องดำเนินการกับชิ้นงาน SLM, ชิ้นงาน ST และชิ้นงาน HIP ที่เตรียมในทิศทางที่ต่างกัน และเปรียบเทียบกับมาตรฐานอุตสาหกรรม HB 5497-1992 ความต้านทานแรงดึงและกำลังครากของชิ้นงานทดสอบทั้งสามชิ้นในทิศทางตามขวาง/ตามยาวที่อุณหภูมิห้องล้วนเกินข้อกำหนดของมาตรฐานการตีขึ้นรูป แต่การยืดตัวจะแตกต่างกัน ความต้านทานแรงดึงของชิ้นงาน SLM ในทิศทางตามขวางคือ 769 MPa ซึ่งสูงกว่าค่าความต้านทานแรงดึงในทิศทางตามยาว 58 MPa กำลังรับผลผลิตตามขวางคือ 465 MPa ซึ่งสูงกว่าในทิศทางตามยาว 44 MPa การยืดตัวตามยาวคือ 27.81% ซึ่งสูงกว่าการยืดตัวตามขวาง 7.21% นั่นคือชิ้นงาน SLM ที่อุณหภูมิห้อง มีแอนไอโซโทรปีในคุณสมบัติแรงดึง ดังที่เราทุกคนทราบกันดีว่าคุณสมบัติแรงดึงของโลหะผสมไม่เพียงได้รับผลกระทบจากลักษณะเฉพาะของวัสดุเท่านั้น แต่ยังเกี่ยวข้องกับโครงสร้างจุลภาคด้วย สำหรับตัวอย่างที่สร้างจาก SLM จะต้องคำนึงถึงอิทธิพลของขอบเขตสระหลอมเหลวด้วย โครงสร้างจุลภาคของตัวอย่าง SLM ถือได้ว่าเป็นองค์ประกอบการกระจายแบบเซของ "ขอบเขตของพูลที่หลอมละลาย-เกรนย่อยเรียงเป็นแนวตั้งแบบอัลตราไฟน์" โดยทั่วไป ยิ่งเมล็ดมีขนาดเล็กเท่าใด ความต้านทานแรงดึงก็จะสูงขึ้นและความเป็นพลาสติกก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น พื้นที่ที่ล้อมรอบด้วยขอบเขตสระน้ำหลอมเหลวประกอบด้วยผลึกเรียงเป็นแนวเรียวยาวซึ่งมีการกระจายอย่างเท่าเทียมกัน ทำให้มั่นใจได้ว่าตัวอย่าง SLM มีความแข็งแรงสูงและมีลักษณะเป็นพลาสติกที่ดี อย่างไรก็ตาม ขอบเขตของพูลหลอมเหลวที่มีการกระจายเชิงพื้นที่จะส่งผลกระทบอย่างมากต่อความเป็นพลาสติกของตัวอย่าง SLM เนื่องจากประสิทธิภาพการยึดเกาะของขอบเขตสระหลอมเหลวนั้นอ่อนกว่าขอบเขตของเกรน และมี "พื้นที่เกรนหยาบ" ในท้องถิ่นในขอบเขตสระหลอมเหลวในพื้นที่ทับซ้อนกันของสระหลอมเหลว ขอบเขตสระหลอมเหลวกลายเป็นพื้นที่อ่อนแอของ ตัวอย่าง. เมื่อชิ้นงาน SLM เกิดการเสียรูปแบบพลาสติก จะเลื่อนไปตามขอบสระหลอมเหลวเป็นพิเศษ จำนวนขอบเขตของสระหลอมเหลว (ความยาว) ในส่วนตามยาวของตัวอย่างต่อพื้นที่หน่วยนั้นมากกว่าขอบเขตในส่วนตามขวางอย่างมาก ซึ่งหมายความว่าเมื่อตัวอย่าง SLM ถูกยืดออกไปในทิศทางตามยาว การเสียรูปแบบพลาสติกจะดำเนินการได้ง่ายกว่า ดังนั้นจึงแสดงคุณสมบัติมหภาคได้มากขึ้น การยืดตัวที่ดีเยี่ยม แต่ความต้านทานแรงดึงต่ำกว่าในทิศทางตามขวางเล็กน้อย
ความต้านทานแรงดึงและกำลังครากของชิ้นงาน ST ในทิศทางตามขวางคือ 695 และ 382 MPa ตามลำดับ และการยืดตัวคือ 31.13% คุณสมบัติทางกลตามทิศทางตามยาวโดยพื้นฐานแล้วจะเหมือนกับคุณสมบัติในทิศทางตามขวาง ซึ่งสอดคล้องกับการสังเกตว่าโครงสร้างจุลภาคตามขวาง/ตามยาวมีความคล้ายคลึงกัน การกำจัดขอบเขตของจุดหลอมละลายเป็นสาเหตุหลักที่ทำให้แอนไอโซโทรปีในคุณสมบัติแรงดึงของชิ้นงาน ST หายไป การบำบัดด้วยสารละลายที่เป็นของแข็งจะช่วยขจัดข้อบกพร่อง เช่น รูพรุนและรอยแตกในตัวอย่างที่สะสมไว้ และการบำบัดที่อุณหภูมิสูงจะช่วยเพิ่มปริมาณออสเทนไนต์ในโครงสร้าง ส่งผลให้ตัวอย่าง ST มีการยืดตัวเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ เมื่อเทียบกับด้านข้าง การยืดตัวของตัวอย่าง SLM เพิ่มขึ้น 10.53% อย่างไรก็ตาม การบำบัดด้วยสารละลายของแข็งจะทำให้เมล็ดโลหะผสมตกผลึกใหม่และเติบโตที่อุณหภูมิสูง ส่งผลให้ความต้านทานการแตกหักของแรงดึงและความแข็งแรงของผลผลิตลดลงอย่างมาก พฤติกรรมเชิงกลของแรงดึงที่อุณหภูมิห้องของชิ้นงาน HIP นั้นคล้ายคลึงกับพฤติกรรมของชิ้นงาน ST แต่ความต้านทานแรงดึงตามขวาง/ตามยาวอยู่ที่ประมาณ 728 MPa และความแข็งแรงของครากคือ 429 MPa แม้ว่าความต้านทานแรงดึงจะต่ำกว่าความต้านทานแรงดึงตามขวางของชิ้นงาน SLM ประมาณ 41 MPa แต่ก็สูงกว่าความต้านทานแรงดึงตามยาวประมาณ 11 MPa อัตราการยืดตัวอยู่ที่ 38.65% ซึ่งสูงกว่าอัตราการยืดตัวตามยาวของตัวอย่าง ST 7.52% และสูงกว่าอัตราการยืดตัวตามยาวของตัวอย่าง SLM 38.9% ความแข็งแรงของตัวอย่าง HIP ไม่ได้ลดลงอย่างมีนัยสำคัญเหมือนกับตัวอย่าง ST ซึ่งสาเหตุหลักมาจากการกำจัดข้อบกพร่องภายในของโลหะผสมและการเปลี่ยนแปลงทางสัณฐานวิทยาของขอบเขตเกรน
ในด้านหนึ่ง ความหนาแน่นของตัวอย่างหลังจากการกดไอโซสแตติกแบบร้อนจะสูงกว่าความหนาแน่นของตัวอย่าง ST; ในทางกลับกัน M23C6 ที่มีลักษณะคล้ายโซ่ตกตะกอนที่ขอบเขตเกรนของตัวอย่าง HIP สามารถขัดขวางการเคลื่อนที่ของการเคลื่อนที่ในระหว่างกระบวนการเปลี่ยนรูปได้อย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งจะช่วยปรับปรุงความแข็งแรงของโลหะผสม แม้ว่าขอบเขตของเกรนคาร์ไบด์ในระยะเปราะสามารถกลายเป็นแหล่งที่มาของรอยแตกร้าวได้อย่างง่ายดายในระหว่างกระบวนการดึง แต่ขอบเขตของเกรนโค้งซิกแซ็กที่เกิดจากพวกมันจะขัดขวางการเริ่มต้นและการขยายตัวของรอยแตกร้าว เนื่องจากขอบเขตของเกรนโค้งหยักไม่เท่ากัน ทำให้เกิดผลกระทบที่ประสานกันระหว่างระนาบคริสตัลของเกรนที่อยู่ติดกัน เป็นการยากที่ขอบเขตของเกรนจะลื่นไถลระหว่างกันในระหว่างกระบวนการเปลี่ยนรูป ทำให้ชิ้นส่วนภายในแกรนูลที่มีความแข็งแรงสูงกว่ามีส่วนร่วมในการเปลี่ยนรูป ส่งผลให้เกิดการผ่อนคลายความเครียดที่ขอบเขตของเกรน ซึ่งเป็นอุปสรรคต่อการเริ่มต้นของรอยแตกร้าว การศึกษาพบว่าในระหว่างกระบวนการแพร่กระจายของรอยแตกร้าว ขอบเขตของเกรนที่ขรุขระอาจทำให้มุมระหว่างรอยแตกร้าวและส่วนต่อประสานของเกรนเบี่ยงเบนไปจากมุมตกกระทบเริ่มต้น ทำให้เส้นทางการแพร่กระจายของรอยแตกตามส่วนต่อประสานมีความซับซ้อนและทนทานมากขึ้น ซึ่งหมายความว่าขอบเขตของเกรนที่โค้งมนทำให้รอยแตกร้าวมีแนวโน้มที่จะแพร่กระจายผ่านส่วนต่อประสานของเกรนมากกว่าที่จะแพร่กระจายไปตามส่วนต่อประสานของเกรน ดังนั้นจึงทำให้โลหะผสมแข็งตัวได้อย่างมีประสิทธิภาพ
(2) การวิเคราะห์สัณฐานวิทยาการแตกหักของแรงดึงที่อุณหภูมิห้องของโลหะผสม GH3536 ในสถานะการบำบัดความร้อนต่างๆ
กลไกการแตกหักของตัวอย่างทั้งสามเป็นการแตกหักแบบเหนียวที่รวมไมโครพอร์ โดยมีรอยบุ๋มรูปรีเท่ากันกระจายไปตามพื้นผิวที่แตกหัก แต่ขนาดและความลึกของรอยบุ๋มจะแตกต่างกัน โครงสร้างลักยิ้มของตัวอย่าง SLM มีขนาดเล็กมาก โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ยเพียงประมาณ 0.5 μm และมีความลึกตื้น นอกจากนี้ยังสามารถสังเกตการสวมรอยร้าวของขอบเขตสระหลอมเหลว และพื้นผิวส่วนโค้งแบบเกาส์เซียนของสระหลอมเหลวนั้นมองเห็นได้ชัดเจน บ่งชี้ว่ารอยแตกนั้นเริ่มต้นและขยายไปตามขอบเขตสระหลอมเหลว สิ่งนี้ยังพิสูจน์จากอีกมุมมองหนึ่งว่าขอบเขตพูลหลอมเหลวเป็นองค์ประกอบสำคัญของกลไกองค์กร จุดอ่อนของประสิทธิภาพ ในระหว่างกระบวนการเปลี่ยนรูปพลาสติกของชิ้นงาน SLM ตามขวาง ความเข้มข้นของความเค้นเฉพาะจุดจะทำลายแรงยึดเกาะของอะตอมและก่อตัวเป็นรูพรุน ในขณะที่การเสียรูปยังคงดำเนินต่อไป ไมโครรูขุมขนเหล่านี้จะเติบโตและเชื่อมต่อกันเพื่อสร้างรอยแตก การมีอยู่ของลักยิ้มเล็กๆ จำนวนเล็กน้อยบ่งชี้ว่าการแตกหักของตัวอย่างที่นี่เกิดจากการขยายตัวของรอยแตกขนาดเล็กที่เกิดขึ้นในระหว่างกระบวนการขึ้นรูป SLM ซึ่งมีส่วนร่วมในการเปลี่ยนรูปพลาสติกน้อยลงในระหว่างกระบวนการเปลี่ยนรูป จึงทำให้ตัวอย่าง SLM ลดลง ในทิศทางตามขวาง การยืดตัว
ขนาดของรอยบุ๋มที่พื้นผิวแตกหักของตัวอย่าง ST คือ {{0}}.8-1.0 μm และมีการกระจายเท่าๆ กัน แสดงลักษณะการแตกหักแบบรอยบุ๋มแบบทรานแกรนูล ซึ่งบ่งบอกว่าโลหะผสมมี การยืดตัวที่ดี หลังจากการรักษาด้วยการกดแบบไอโซสแตติกแบบร้อน จำนวนรอยบุ๋มที่พื้นผิวแตกหักของตัวอย่าง HIP เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ และขนาดก็เพิ่มขึ้นเป็นประมาณ 2 ไมโครเมตรด้วย เมื่อเปรียบเทียบกับชิ้นงาน SLM การมีอยู่ของขอบเขตเกรนโค้งซิกแซกจะส่งเสริมการทำงานของระบบสลิปในเมทริกซ์โดยรอบ ลดความเข้มข้นของความเค้นที่ขอบเขตเกรน และส่งเสริมการกระจายตัวที่สม่ำเสมอของการเสียรูปพลาสติก ดังนั้นชิ้นงานทดสอบ HIP จึงแสดงค่าความต้านทานแรงดึงที่อุณหภูมิห้องได้ดีที่สุด ประสิทธิภาพซึ่งสอดคล้องกับผลการทดสอบแรงดึงดังกล่าวข้างต้น เมื่อวัสดุแรงดึงมีความเป็นพลาสติกที่ดี แรงยึดเหนี่ยวระหว่างเกรนที่มีการวางแนวที่แตกต่างกันจะมีมากขึ้น ทำให้เกิดการเคลื่อนตัวที่จะเกิดขึ้นหลังจากที่พวกมันเลื่อนไปตามระนาบสลิปที่ตัดกันหลายอันในเวลาเดียวกัน นอกจากนี้ยังสะท้อนจากด้านข้างว่าตัวอย่าง HIP มีความสามารถในการเปลี่ยนรูปพลาสติกได้ดีเยี่ยม
สรุปแล้ว
(1) โครงสร้างจุลภาคของตัวอย่างที่สะสมด้วยโลหะผสม GH3536 ที่เกิดขึ้นจากการหลอมด้วยเลเซอร์แบบเลือกสรรนั้น ส่วนใหญ่ประกอบด้วยขอบเขตของสระหลอมเหลวและเม็ดย่อยแบบเสาที่ละเอียดเป็นพิเศษ สระที่หลอมละลายมีการกระจายเหมือนเกล็ดปลาตามทิศทางการสะสม ซึ่งแตกต่างจากการกระจายแบบแถบในทิศทางการสแกนด้วยเลเซอร์อย่างเห็นได้ชัด มีรูขุมขนจำนวนเล็กน้อยและมีรอยแตกขนาดเล็กที่ไม่เป็นระเบียบอยู่ข้างใน
(2) หลังจากที่ตัวอย่าง SLM ได้รับการบำบัดด้วยสารละลายของแข็งและการกดแบบไอโซสแตติกแบบร้อน สัณฐานวิทยาของขอบเขตสระน้ำหลอมเหลวของตัวอย่างโลหะผสมก็หายไป ความหนาแน่นของ ST สูงกว่าตัวอย่าง SLM 3.9% และโครงสร้างจุลภาคประกอบด้วยเกรนที่มีการกระจายสลับกันซึ่งมีขนาดต่างกัน โดยไม่มีการตกตะกอนในระยะที่สอง โครงสร้างจุลภาคของตัวอย่าง HIP นั้นคล้ายคลึงกับตัวอย่าง ST โดยมีความหนาแน่น 94.1%
(3) การแตกหักของชิ้นงานทั้งสามชิ้นนั้นเป็นการแตกหักแบบลักยิ้มทั่วไปทั้งหมด สมบัติแรงดึงของชิ้นงาน SLM เป็นแบบแอนไอโซโทรปิก ซึ่งเกิดจากการกระจายตัวที่แตกต่างกันของขอบเขตพูลหลอมเหลวที่เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการสะสมตัวในทิศทางตามขวาง/แนวตั้ง ความต้านทานแรงดึงและกำลังครากของชิ้นงาน ST ลดลง แต่การยืดตัวเพิ่มขึ้นเป็น 31.13% ความต้านทานแรงดึงและความแข็งแรงของผลผลิตลดลงน้อยลง และการยืดตัวถึง 38.65% ซึ่งสัมพันธ์กับขอบเขตของเกรนโค้งที่เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการ HIP
