EN
چگونه فرآیند DED عملکرد ماده اینکونل ۶۲۵ را بهبود میبخشد
یک پروژه تحقیقاتی مشترک بین ENIGMA و دانشگاه نووا لیسبون، که در مجله Materials Research Letters منتشر شده است، بهصورت سیستماتیک بررسی کرده است که طراحی مسیر چاپ چگونه بر ریزساختار و خواص مکانیکی اینکونل ۶۲۵ ساختهشده با فرآیند DED تأثیر میگذارد. اینکونل 625 یافتهها آنچه را که مهندسان فرآیند بهصورت تجربی مشاهده کرده بودند، تأیید کردند: استراتژی جابجایی ۹۰ درجهای مسیر لایهها، ساختار دانههای آلیاژ را از ستونی جهتدار به دانههای تقریباً هممحور تبدیل میکند و منجر به مقاومت تسلیم ۴۰۱ مگاپاسکال، مقاومت کششی نهایی ۷۲۴ مگاپاسکال و ازدیاد طول ۵۷ درصد میشود — ترکیبی از مقاومت و شکلپذیری که از اینکونل ۶۲۵ نوردشده گرم سنتی عملکرد بهتری دارد.
اینکونل 625 یک سوپرآلیاژ مبتنی بر نیکل است که به دلیل ترکیب منحصر به فرد خود از مقاومت در برابر دماهای بالا، مقاومت در برابر خوردگی و قابلیت جوشپذیری، مورد تقدیر قرار میگیرد. با این حال، روش سنتی تولید — که شامل ذوب القایی در خلأ و سپس شکلدهی گرم است — اشکالات و ابعاد قطعاتی را که میتوان بهصورت اقتصادی تولید کرد، محدود میکند. روش DED بهطور اساسی هم بر روی اینکه چه چیزی میتوان ساخت و هم بر عملکرد آن تأثیر میگذارد.
چرا پردازش اهمیت بیشتری نسبت به ترکیب شیمیایی دارد
ترکیب اینکونل 625 — تقریباً ۵۸٪ نیکل، ۲۰ تا ۲۳٪ کروم، ۸ تا ۱۰٪ مولیبدن و ۳٫۱۵ تا ۴٫۱۵٪ نیوبیوم — توسط مشخصات فنی تعیین شده است. آنچه بهطور چشمگیری تغییر میکند، ساختار ریز بلوری است و این ساختار ریز بلوری، خواص مکانیکی را تعیین میکند. در ریختهگری سنتی، انجماد کند منجر به تشکیل دانههای ستونی درشتی با طولی چند میلیمتر و با بافت بلوری برجسته میشود. در فرآیند DED، انجماد در عرض چند ثانیه (نه چند دقیقه) انجام میشود و ساختار دانهای اساساً متفاوتی ایجاد میکند؛ با این حال، ساختار دقیق حاصل بهشدت وابسته به استراتژی مسیر چاپ است.
رویکرد مرسوم DED — که در آن هر لایه در امتداد مسیر جهتدار یکسانی (استراتژی ۰°) رسوب داده میشود — دانههای ستونی را تولید میکند که بهصورت اپیتاکسیال از لایهٔ قبلی رشد میکنند و باعث ایجاد بافت بلوری شدیداً جهتدار <001> میگردند. این بافت منجر به خواص مکانیکی ناهمسانگرد میشود: استحکام و شکلپذیری که بسته به اینکه بار موازی یا عمود بر جهت دانههای ستونی اعمال شود، تغییر میکنند. برای قطعاتی که تحت تنش چندمحوری قرار میگیرند — که این شرایط تقریباً در تمام کاربردهای مهندسی واقعی صادق است — این ناهمسانگردی نامطلوب است.
چگونه طراحی مسیر چاپ، خواص را دگرگون میکند
پیشرفتی که تیم تحقیقاتی ENIGMA-NOVA شناسایی کرده است، شامل چرخاندن مسیر رسوبگذاری به میزان ۹۰ درجه بین لایههای متوالی است. این تغییر ساده در استراتژی مسیر ابزار، پیامدهای فلزشناسی عمیقی دارد. زمانی که هر لایه عمود بر لایهٔ قبلی روی هم قرار میگیرد، رشد دانههای ستونی که در غیر این صورت از طریق چندین لایه ادامه مییافت، متوقف میشود. لایهٔ جدید بر سطحی با جهتگیری بلورشناختی متفاوت جامد میشود و ذوب مجدد سطح لایهٔ قبلی، مکانهای هستهزنی جدیدی ایجاد میکند که تشکیل دانههای هممحور را تقویت میکند.
ریزساختار حاصل از اینکونل 625 بهطور چشمگیری با ساختار ستونی فرآیند DED مرسوم تفاوت دارد. ابعاد متوسط دانهها از دانههای ستونی کشیدهشدهای به طول صدها میکرومتر، به دانههای تقریباً هممحوری با طول حدود ۵۲۷ میکرومتر و عرض ۱۷۲ میکرومتر (نسبت جنبی ۳٫۰۶) تغییر میکند. نواحی ریزدانه با اندازه دانههای ۳۷ میکرومتر در رویههای بینلایهای تشکیل میشوند. این ساختار دانهای ریزشده و تقریباً ناهمسو، تغییرات جهتی مقاومت را که محدودیت اصلی مواد DED پردازششده به روش مرسوم است، از بین میبرد.
بهبود خواص مکانیکی قابل توجه است. آزمون کششی در دمای محیط بر روی مسیر ۹۰° اینکونل 625 استحکام تسلیم آن ۴۰۱ ± ۱۲ مگاپاسکال، استحکام کششی نهایی ۷۲۴ ± ۵ مگاپاسکال و ازدیاد طول ۵۷ ± ۵ درصد است. این مقادیر در مقایسه با آلیاژ اینکونل ۶۲۵ سنتی نوردشده در دمای بالا عملکرد بهتری دارند که معمولاً استحکام تسلیمی در محدوده ۳۵۰ تا ۴۱۵ مگاپاسکال و استحکام کششی در محدوده ۶۹۰ تا ۷۶۰ مگاپاسکال را ارائه میکند. حاصلضرب پلاستیسیته-استحکام ماده ساختهشده با فرآیند DED — که معیاری برای ترکیب استحکام و شکلپذیری است — به ۴۱٫۳ گیگاپاسکال*درصد میرسد که بهطور قابلتوجهی از مقدار معمولی ۳۲٫۱ گیگاپاسکال*درصد برای ماده نوردشده در دمای بالا فراتر میرود.
عملکرد در دمای بالا
اینکونل 625 برای کاربردهای دمای بالا مشخص شده است و ماده پردازششده با فرآیند DED در محدوده دمایی ۴۰۰ تا ۸۵۰ درجه سانتیگراد، مزیت خود را حفظ میکند. خواص استحکامی در کل این محدوده دمایی همواره از خواص آلیاژهای ریختهگریشده سنتی بیشتر است. ازدیاد طول در دماهای زیر ۷۰۰ درجه سانتیگراد همچنان بالا باقی میماند و تنها کاهش جزئیای در دماهای بالاتر از این مقدار مشاهده میشود. نوع شکست از شکلپذیر (شکست حفرهای بیندانهای در دمای ۶۰۰ درجه سانتیگراد) به حالت ترکیبی در دمای ۸۵۰ درجه سانتیگراد تغییر میکند — رفتاری که با محدوده کاربرد مورد نظر این آلیاژ در دماهای بالا سازگان دارد.
روابط بین لایهها در DED اینکونل 625 — که نگرانی احتمالی برای هر مادهای است که به روش ساخت افزایشی تولید شده باشد — حاکی از یکپارچگی قابل توجهی هستند. تحلیلهای میکروسکوپی نشان میدهند که شکست ناشی از تغییر شکل بهطور مداوم درون دانهها و نه در مرزهای بین لایهای رخ میدهد. هیچ تمرکز تنشی در روابط بین لایهها مشاهده نشده است که این امر تأیید میکند بین لایههای رسوبگذاریشده پیوند کاملاً فلزی برقرار شده و هیچ ضعف سازهای ایجاد نمیکند.
سوالات متداول
DED چگونه خواص مکانیکی اینکونل ۶۲۵ را بهبود میبخشد؟
سختشدن سریع DED (۱۰³ تا ۱۰⁵ درجه سانتیگراد در ثانیه) سبب ایجاد یک ریزساختار دانهریز میشود. هنگامی که این فرآیند با جابجایی مسیر رسوبگذاری بین لایهها به اندازه ۹۰ درجه ترکیب میشود، ساختار دانههای ستونی به دانههای تقریباً هممحور تبدیل میگردد و تغییرات جهتی خواص را از بین میبرد. نتیجه این فرآیند مقاومت تسلیم ۴۰۱ مگاپاسکال، مقاومت کششی ۷۲۴ مگاپاسکال و ازدیاد طول ۵۷ درصد است که از ترکیب مقاومت-شکلپذیری اینکونل ۶۲۵ نوردشده گرم عملکرد بهتری دارد.
مسیر چاپ چیست و چرا برای اینکونل ۶۲۵ اهمیت دارد؟
تغییر مسیر چاپ، جهت رسوبگذاری را بین لایههای متوالی به میزان ۹۰ درجه میچرخاند. این امر رشد ستونی تکبلوری که هنگام رسوبگذاری تمام لایهها در جهت یکسان رخ میدهد را قطع میکند. سطح ذوبشده مجدد لایهٔ قبلی، مکانهای جوانهزنی جدیدی فراهم میکند و تشکیل دانههای هممحور را تقویت نموده و ویژگیهای مکانیکی نامتقارن ناشی از ریزساختار ستونی را از بین میبرد.
ویژگیهای اینکونل ۶۲۵ ساختهشده با روش DED چگونه با مواد سنتی ساختهشده مقایسه میشوند؟
اینکونل ۶۲۵ ساختهشده با روش DED و با بهینهسازی مسیر ۹۰ درجهای، حاصلضرب شکلپذیری و استحکامی برابر با ۴۱٫۳ گیگاپاسکال-درصد دارد، در حالی که این مقدار برای مادهٔ نوردشدهٔ گرم برابر با ۳۲٫۱ گیگاپاسکال-درصد است. این نشاندهندهٔ برتری ترکیبی استحکام و شکلپذیری است. ریزساختار دانهریز ایجادشده در طول انجماد سریع، منجر به دستیابی به مقادیر ویژگیها میشود که در تمامی ویژگیهای مکانیکی، حداقل معیارهای مشخصشده برای مواد متالورژیکی (wrought) را برآورده میکند یا از آنها فراتر میرود.
آیا اینکونل ۶۲۵ ساختهشده با روش DED در دماهای بالا استحکام خود را حفظ میکند؟
بله. آلیاژ اینکونل ۶۲۵ ساختهشده با روش DED استحکامی بالاتر از آلیاژهای ریختگی سنتی در محدوده دمایی ۴۰۰ تا ۸۵۰ درجه سانتیگراد حفظ میکند. شکلپذیری این ماده تا دمای ۷۰۰ درجه سانتیگراد پایدار باقی میماند و فراتر از این دما بهصورت متوسطی کاهش مییابد. این ماده در محدوده دمایی ۶۰۰ تا ۸۵۰ درجه سانتیگراد از رفتار شکننده به رفتار ترکیبی (شکننده و نرم) تغییر فاز میدهد که این رفتار با رفتار مورد انتظار آلیاژهای سوپر نیکلی در این محدوده دمایی سازگان است.
آیا مرزهای بین لایههای ساختهشده با روش DED نقطه ضعف در اینکونل ۶۲۵ هستند؟
خیر. تحلیلهای میکروسکوپی نشان میدهند که شکست در اینکونل ۶۲۵ ساختهشده با روش DED درون دانهها و نه در مرزهای بین لایهای رخ میدهد. هیچ تمرکز تنشی در مرزهای لایهای مشاهده نشده است. ذوب مجدد سطح لایه قبلی در هنگام رسوبگذاری لایه بعدی، اتصال متالورژیکی کاملی ایجاد میکند و نواحی مرزی از نظر ساختاری قابل تشخیص از مواد تودهای رسوبگذاریشده نیستند.
آیا اینکونل ۶۲۵ ساختهشده با روش DED پس از رسوبگذاری قابل عملیات حرارتی است؟
بله. اینکونل ۶۲۵ ساختهشده با روش DED میتواند تحت عملیات حرارتی حلسازی و پیرسازی قرار گیرد که این عملیاتها مطابق با مشخصات استاندارد عملیات حرارتی این آلیاژ است. عملیات حرارتی پس از رسوبگذاری، تنشهای باقیمانده ناشی از چرخههای حرارتی حین رسوبگذاری را کاهش داده و میتواند ساختار ریز بلوری را بهطور بیشتری همگن کند. چرخهٔ خاص عملیات حرارتی بستگی به شرایط کاربرد دارد — آنیل رفع تنش در دمای ۸۷۰ درجه سانتیگراد، حلسازی در دمای ۹۸۰ تا ۱۱۵۰ درجه سانتیگراد، یا انجام کامل فرآیند حلسازی و پیرسازی برای دستیابی به حداکثر خواص در دماهای بالا.