Als neuartige additive Fertigungstechnologie hat DED (Direct Electric Discharge) aufgrund ihrer hohen Effizienz, geringen Kosten und großen Formgebungsmöglichkeiten einzigartige Vorteile bei der Herstellung von Inconel 625-Legierungen gezeigt. Allerdings führt der traditionelle DED-Prozess häufig zu einer säulenförmigen Kristallstruktur mit deutlicher <001>-Orientierung, wodurch es schwierig ist, sowohl ideale Festigkeit als auch Duktilität des Materials zu erreichen.
I. Forschungshintergrund und Bedeutung
Neuere Studien haben gezeigt, dass die Erhöhung der Linien-Energiedichte (LED) die Leistungsfähigkeit der Inconel-625-Legierung effektiv verbessern kann, indem säulenförmige Körner in nahezu gleichachsige Körner umgewandelt werden. Allerdings bleibt der spezifische Wirkmechanismus des Wechsels der Druckpfade weiterhin unklar. Zudem beeinflussen die einzigartigen Zwischenlagen-Oberflächenmerkmale des additiven Herstellungsverfahrens die mechanischen Materialeigenschaften erheblich, insbesondere bei hohen Temperaturen, wo sie eine Konzentration von Dehnungen an den Grenzflächen und ein vorzeitiges Versagen verursachen können. daher ist die Untersuchung der Einflussmechanismen dieser Zwischenlagen-Oberflächen bei unterschiedlichen Temperaturen von großem Wert für die Prozessoptimierung und Steigerung der Materialleistungsfähigkeit .
Auf Grundlage des oben genannten Forschungshintergrunds Enigma arbeitete mit einem Team aus Technologie und Der NOVA University Lisbon in Portugal, um ihre neuesten Forschungsergebnisse in Materials Research Letters unter dem Titel „ Verbesserte mechanische Eigenschaften und Deformationsmechanismen s in DED Inconel 625 durch Druckpfad-Wechsel , systematisch den Einfluss des Druckpfad-Designs auf die Mikrostruktur und mechanischen Eigenschaften des Materials untersuchend.
Quelle [1]
II. Experimentelle Methoden
Diese Studie verwendete Cold Metal Transfer (CMT)-DED-Technologie, um Inconel-625-Legierungsproben unter einer Schutzatmosphäre aus einem Gemisch aus 70 % Ar und 30 % He herzustellen. Um die Zuverlässigkeit der Versuchsergebnisse sicherzustellen, optimierte das Forschungsteam die wesentlichen Prozessparameter: Stromstärke 116 A, Drahtvorschubgeschwindigkeit 4,6 m/min und lineare Energiedichte 140 J/mm. Eine schichtweise um 90° rotierte Pfadstrategie wurde angewandt, um zylindrische Proben mit einem Durchmesser von 50 mm und einer Länge von 100 mm herzustellen.
Quelle [1]
Um die Materialeigenschaften umfassend zu charakterisieren, wurde eine Analyse über mehrere Skalen hinweg durchgeführt : Die mikrostrukturelle Entwicklung wurde mit XRD, OM, SEM-EBSD und TEM-Systemen analysiert; die mechanischen Eigenschaften wurden anhand von Mikrohärtemessungen und Zugversuchen bei Raumtemperatur und hohen Temperaturen (400–850 °C) bewertet.
III. Ergebnisse und Diskussion
3.1 Mikrostrukturelle Eigenschaften
Die mikrostrukturelle Analyse zeigte den erheblichen Einfluss des Druckpfad-Designs. Im Vergleich zu den traditionellen 0°-Pfad-Proben wiesen die Proben, die mit dem 90°-Pfad-Wechsel hergestellt wurden, einzigartige nahezu isotrope Kristalleigenschaften auf: Die durchschnittliche Kornlänge betrug 527 ± 5 μm, die Breite 172 ± 7 μm (Seitenverhältnis 3,06), und feinkörnige Bereiche (37 ± 2 μm) bildeten sich an den Schichtgrenzflächen. XRD-Analysen bestätigten, dass die Proben eine einphasige kubisch-flächenzentrierte Struktur aufweisen.
Quelle [1]
Forschung hat bestätigt, dass hohe LED in Kombination mit Pfadwechsel reduziert effektiv den Temperaturgradienten des Schmelzbades, unterdrückt das epitaktische Wachstum von Säulenkristallen und fördert die Bildung gleichachsiger Kristalle, indem die erneute Schmelztiefe erhöht und neue Keimbildungsstellen bereitgestellt werden, wodurch die Mikrostruktur des Materials optimiert wird . Diese Prozesskombination stellt ein wirksames Mittel dar, um die Umwandlung von Säulenkristallen zu gleichachsigen Kristallen zu erreichen.
3.2 Mechanische Eigenschaften bei Raumtemperatur
Prüfungen der mechanischen Eigenschaften bei Raumtemperatur zeigen, dass Inconel-625-Proben, die mithilfe eines 90°-Druckpfads hergestellt wurden, eine hervorragende Kombination aus Festigkeit und Duktilität aufweisen, mit einer Streckgrenze von 401 ± 12 MPa, einer Zugfestigkeit von 724 ± 5 MPa und einer Dehnung von 57 ± 5% .Das Material weist ein typisches dreistufiges Verfestigungsverhalten auf, zeigt insbesondere im Dehnungsbereich von 8–25 % eine verbesserte Verfestigungsfähigkeit und erreicht dadurch ein hohes Plastizitäts-Stärke-Produkt von 41,3 GPa*%, was die Leistung herkömmlicher warmgewalzter Legierungen (32,1 GPa*%) deutlich übertrifft.
Quelle [1]
Mikrostrukturelle Analysen zeigen, dass nahezu gleichkörnige Proben größere Korngrößen aufweisen (232 ± 16 μm vs. warmgewalzte Proben < 130 μm), wobei ihre überlegene Leistungsfähigkeit vor allem auf zwei Faktoren zurückzuführen ist: erstens die entscheidende Rolle der Versetzungsfestigung und zweitens einen einzigartigen Verformungsmechanismus. Mikroskopische Untersuchungen ergaben, dass sich während der Verformung hochdichte Versetzungswände und Versetzungssperren bilden. Diese mikrostrukturellen Merkmale verhindern effektiv die Bewegung von Versetzungen und erhöhen somit die Festigkeit des Materials . Wichtiger noch wurde an den Zwischenschichtgrenzflächen keine Spannungskonzentration beobachtet, und die Brüche erfolgten immer innerhalb der Korngrenzen, was bestätigt, dass die durch den Druckpfad gebildeten Grenzflächen die Materialeigenschaften nicht beeinflussen es ist diese einzigartige Versetzungsbewegung in Kombination mit intakten Grenzflächen, die gemeinsam die hervorragenden allgemeinen Eigenschaften des Materials verleihen.
3.3 Hochtemperatur-Mechanischeigenschaften
Hochtemperatur-Mechanischeigenschaftstests haben die ausgezeichnete Hochtemperatur-Beständigkeit der nahezu isotropen Inconel-625-Legierung gezeigt. Forschungen zeigen, dass innerhalb des breiten Temperaturbereichs von 400–850 °C die Festigkeitseigenschaften dieses Materials stets besser sind als diejenigen herkömmlicher Gusslegierungen. Bemerkenswert ist, dass seine Dehnung unterhalb von 700 °C auf einem höheren Niveau bleibt, mit nur einem geringfügigen Abfall nach Überschreiten von 700 °C. Mittels Bruchflächenanalyse beobachtete die Studie deutliche temperaturabhängige Übergänge im Bruchverhalten: bei 600 °C zeigte der Bruch typische interkristalline duktile Brucheigenschaften, wobei die Bruchfläche gleichmäßig verteilte, flache duktile Dellen aufwies; zwischen 750 °C und 800 °C geht der Bruchmodus in einen interkristallinen Bruch über, der klare spröde Brucheigenschaften zeigt; wenn die Temperatur 850 °C erreicht, weist die Bruchfläche ein gemischtes Bruchverhalten auf, mit sowohl duktilen Dellen als auch spröden Bruchebenen.
Quelle [1]
Schlussfolgerung
Diese Studie zeigt den entscheidenden Einfluss des Druckpfads auf die Mikrostruktur und die Eigenschaften der Inconel-625-Legierung. Durch den Einsatz einer Druckstrategie mit hohem Energieeintrag in Kombination mit einer 90°-Schicht-zu-Schicht-Rotation wurde die traditionelle säulenförmige Kornstruktur erfolgreich in eine gleichmäßige, nahezu gleichkörnige Kornstruktur umgewandelt. Mithilfe fortschrittlicher mikrostruktureller Analysetechniken wurde festgestellt, dass diese einzigartige Struktur während der Verformung spezifische Versetzungsbewegungsmuster aufweist: Neben planarer Gleitung bilden sich auch wandschichtenreiche Versetzungsstrukturen sowie besondere Versetzungssperren. Die synergetische Wechselwirkung dieser mikrostrukturellen Mechanismen verleiht dem Material sowohl ausgezeichnete Festigkeit als auch Duktilität.
Bemerkenswert ist, dass die während des Druckprozesses gebildeten feinkörnigen Zwischenschichtzonen die Leistung nicht beeinträchtigten, sondern sogar verbesserten. Testergebnisse zeigen, dass diese optimierte nahezu gleichkörnige Kristallstruktur hervorragende mechanische Eigenschaften über einen breiten Temperaturbereich von Raumtemperatur bis hin zu hohen Temperaturen aufweist. Diese Entdeckung liefert neue prozesstechnische Erkenntnisse für das Hochleistungs-Additive Manufacturing kritischer Komponenten in der Luftfahrt und anderen Bereichen und zeigt damit weitreichende Anwendungsperspektiven.
Paper link：
[1] https://doi.org/10.1080/21663831.2025.2476174
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