Многомасштабная иерархическая и гетерогенная механическая реакция нового алюминиевого сплава, полученного аддитивным способом, исследованная с помощью высоких технологий.

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 18344 (2022) Цитировать эту статью

1650 Доступов

3 цитаты

Подробности о метриках

Интеллектуальное легирование и микроструктурная инженерия смягчают проблемы, связанные с аддитивным производством в лазерно-порошковом слое (L-PBFAM). В новом сплаве Al-Ni-Ti-Zr использовалось измельчение зерен за счет гетерогенного зародышеобразования и эвтектического затвердевания для достижения превосходного синергизма производительности и качества печати. Обычные механические испытания не могут определить сложную микромеханику таких сплавов. Это исследование объединило многомасштабное наномеханическое и микроструктурное картирование, чтобы проиллюстрировать механические характеристики, связанные с иерархическим распределением тепла и быстрым затвердеванием L-PBFAM. Был успешно продемонстрирован непропорциональный эффект упрочнения, оказываемый выделениями Al3(Ti,Zr) на границах ванны и в полутвердой зоне. Наномеханический отклик, связанный с неоднородностью объемной доли частиц и когерентностью в ванне расплава, интерпретировали по кривым сила-смещение наноиндентирования. Карта твердости эффективно разграничивала самые слабые и самые сильные участки бассейна с микроскопической точностью. Представленный подход служит высокопроизводительной методологией для установления корреляции между химией, обработкой, микроструктурными свойствами вновь разработанных сплавов для L-PBFAM.

Внедрение аддитивного производства с использованием лазерного порошкового синтеза (L-PBFAM) меняет парадигму производства в аэрокосмической, биомедицинской и оборонной промышленности. Прорывная способность этой технологии проистекает, прежде всего, из исключительной гибкости дизайна, композиционной и микроструктурной1. Однако L-PBFAM из алюминиевых сплавов остается сложной задачей из-за плохой поглощающей способности лазерного излучения, высокой склонности к растрескиванию и тенденции к быстрому окислению сырья2. Хотя алюминиевые сплавы эвтектического или близкого к эвтектическому состава (например, алюминиевые сплавы с высоким содержанием кремния) продемонстрировали заметную пригодность для печати, их механические свойства не соответствуют ожиданиям отрасли3. С другой стороны, высокопрочные алюминиевые сплавы сильно страдают от горячего растрескивания в процессе L-PBFAM4,5. Одной из эффективных стратегий смягчения последствий является тщательный выбор состава сплава для улучшения стойкости к растрескиванию при достижении механических свойств, эквивалентных или лучших, чем у высокопрочных алюминиевых сплавов6. Подход к проектированию сплавов, основанный на интегрированной компьютерной инженерии материалов (ICME), недавно позволил создать несколько новых высокопрочных алюминиевых сплавов, пригодных для печати7. Однако для полного использования коммерческого потенциала этих новых сплавов необходимо минимальное использование дорогостоящего исходного материала, такого как Sc или модифицированные порошки (на сырье приходится примерно 15% производственных затрат), а также расширение окна обработки для повышения гибкости производства8.

Новый сплав Al-Ni-Ti-Zr с превосходной синергией печатных качеств и характеристик, о котором сообщили Таплиял и др.9, соответствует этим критериям и имеет потенциал для широкого промышленного внедрения. Этому способствуют два важных микроструктурных свойства материала. Первым признаком является замедленное затвердевание эвтектики Al-Al3Ni, что минимизирует диапазон терминального замерзания и облегчает засыпку жидкости на финальных стадиях затвердевания (~ 640 °С). Это исключает образование горячих трещин и позволяет печатать полностью плотные детали в широком диапазоне скоростей сканирования и мощности лазера. Вторым фактором является тщательно сконструированная гетерогенная микроструктура, состоящая из мультимодальных зерен, частиц и эвтектической сегрегации Al3Ni–Al. Эта микроструктура активирует различные механизмы упрочнения, усиливает деформационное упрочнение и обеспечивает высокую синергию прочности и пластичности материала. Отрыв крупных столбчатых зерен, обычно связанный с L-PBFAM, и наличие равноосных зерен обусловлены образованием частиц L12 Al3(Ti,Zr) на ранней стадии затвердевания. Эти частицы обеспечивают энергетически выгодные места для гетерогенного зародышеобразования (HN) и селективного переохлаждения, создавая ультратонкую равноосную микроструктуру вблизи границ бассейна. Эти ультрамелкие области прерывают столбчатый рост, а также помогают уменьшить образование горячих трещин. Из-за многочисленных термических циклов и явлений переплавки во время L-PBFAM в конечном компоненте достигается сложный уровень микроструктурной неоднородности и иерархии.