Sensatie! Gezamenlijk succes van Enigma en de NOVA Universiteit Lissabon: Pad-optimalisatie verbetert de prestaties van additief geproduceerde Inconel 625 bij kamertemperatuur en hoge temperaturen.

Als een opkomende additieve vervaardigingstechnologie heeft DED (Direct Electric Discharge) unieke voordelen laten zien bij de productie van Inconel 625 legering vanwege zijn hoge efficiëntie, lage kosten en mogelijkheden voor grootschalige vormgeving. Echter, het traditionele DED-proces leidt vaak tot een kolomvormige kristalstructuur met een duidelijke <001>-oriëntatie, wat het moeilijk maakt om zowel ideale sterkte als ductiliteit in het materiaal te bereiken.

I. Onderzoeksachtergrond en Betekenis

Recente studies hebben aangetoond dat het verhogen van de lineaire energiedichtheid (LED) de prestaties van Inconel 625 legering effectief kan verbeteren door kolomvormige korrels te transformeren in bijna equiaxed korrels; echter, het specifieke mechanisme van de rol van printpad-switching blijft onduidelijk. Bovendien hebben de unieke interlaag-interfacekenmerken van additieve fabricage een grote invloed op de mechanische eigenschappen van materialen, met name bij hoge temperaturen, waar ze kunnen leiden tot interface-scheurvorming en vroegtijdig versagen. Daarom, het onderzoeken van de invloedmechanismen van interlaag-interfaces bij verschillende temperaturen heeft grote waarde voor het optimaliseren van processen en het verbeteren van de materiaalprestaties .

Op basis van het bovenvermelde onderzoek achtergrond, Enigma werkte samen met een team van Technologie en NOVA University Lisbon in Portugal om hun nieuwste onderzoeksresultaten te publiceren in Materials Research Letters onder de titel “ Verbeterde mechanische eigenschappen en vervormingsmechanisme s in DED Inconel 625 via printpad-switching , waarbij systematisch de invloed van printpadontwerp op materiaalmicrostructuur en mechanische eigenschappen is onderzocht

Bron [1]

II. Experimentele Methoden

In dit onderzoek is gebruik gemaakt van Cold Metal Transfer (CMT) DED-technologie om Inconel 625 legeringsproeven te fabriceren in een beschermende atmosfeer van 70% Ar + 30% He gemengd gas. Om de betrouwbaarheid van de experimentele resultaten te waarborgen, heeft het onderzoeksteam de belangrijkste procesparameters geoptimaliseerd: stroom 116 A, draadtoevoersnelheid 4,6 m/min en lineaire energiedichtheid 140 J/mm. Er is een laag-op-laag 90° rotatiepadstrategie toegepast om cilindrische monsters met een diameter van 50 mm en een lengte van 100 mm voor te bereiden.

Bron [1]

Om de materiaaleigenschappen uitgebreid te karakteriseren, is gebruikgemaakt van een multi-schaal analyse methode : microstructurele evolutie werd geanalyseerd met behulp van XRD-, OM-, SEM-EBSD- en TEM-systemen; mechanische eigenschappen werden geëvalueerd aan de hand van microhardheidstests en trekproeven bij kamertemperatuur en hoge temperaturen (400-850°C).

III. Resultaten en Discussie

3.1 Microstructurele kenmerken

Microstructurele analyse onthulde de significante invloed van het ontwerp van het printpad. In vergelijking met de traditionele 0°-padmonsters, vertoonden de monsters die zijn geproduceerd met behulp van 90°-padswitching unieke bijna-isotrope kristalkenmerken: de gemiddelde korrelgrootte was 527 ± 5 μm, de breedte was 172 ± 7 μm (aspectverhouding 3,06), en fijnkorrelige gebieden (37 ± 2 μm) werden gevormd aan de laaggrenzen. XRD-analyse bevestigde dat de monsters een enkelvoudige fase met een vlakgecentreerde kubische structuur vertonen.

Bron [1]

Onderzoek heeft bevestigd dat hoge LED in combinatie met padwisseling kan effectief de temperatuurgradiënt van het smeltbad verminderen, de epitaxiale groei van kolomvormige kristallen onderdrukken en de vorming van gelijkzijdige kristallen bevorderen door verhoogde opsmeltdiepte en nieuwe nucleatieplaatsen te bieden, waardoor de microstructuur van het materiaal wordt geoptimaliseerd . Deze procescombinatie biedt een effectieve manier om de transformatie van kolomvormige kristallen naar gelijkzijdige kristallen te realiseren.

3.2 Materiaaleigenschappen bij kamertemperatuur

Materiaaltesten bij kamertemperatuur tonen aan dat Inconel 625 monsters die zijn geproduceerd met behulp van een 90° printpad uitstekende sterkte-rek eigenschappen vertonen, met een vloeigrens van 401 ± 12 MPa, treksterkte van 724 ± 5 MPa en rek van 57 ± 5% .Het materiaal vertoont een typisch driedelige werkverhardend gedrag, met name een verbeterde werkverharding in het bereik van 8–25% rek, wat resulteert in een hoog plastische sterkteproduct van 41,3 GPa*%, aanzienlijk beter dan traditionele warmgewalste legeringen (32,1 GPa*%).

Bron [1]

Microstructurele analyse toont aan dat bijna-evenredige monsters grotere korrelgroottes hebben (232 ± 16 μm vs. warmgewalste monsters < 130 μm), en hun superieure prestaties voortkomen uit twee factoren: ten eerste de belangrijke rol van dislocatiesterkte, en ten tweede een uniek vervormingsmechanisme. Microscopische analyse onthulde dat tijdens vervorming het materiaal vormt hoge dichtheid dislocatiewanden en dislocatievergrendelingsstructuren. Deze microstructurele kenmerken verhinderen effectief de beweging van dislocaties, waardoor de materiaalsterkte wordt verhoogd . Belangrijker nog, er werd geen spanningsconcentratie waargenomen aan de grensvlakken tussen de lagen, en de breuk trad altijd op binnen de korrelgrenzen, wat bevestigt dat de door het printpad gevormde interfaces de materiaalprestaties niet beïnvloeden . Het is deze unieke dislocatiebeweging in combinatie met onbeschadigde interfaces die gezamenlijk zorgen voor de uitstekende algehele eigenschappen van het materiaal.

3.3 Mechanische eigenschappen bij hoge temperatuur

Het testen van mechanische eigenschappen bij hoge temperatuur heeft aangetoond dat het nagenoeg isotrope Inconel 625 legering een uitstekende hoge-temperatuur aanpassingscapaciteit bezit. Onderzoek wijst uit dat binnen het brede temperatuurbereik van 400–850°C de sterkte-eigenschappen van dit materiaal consistent beter zijn dan die van traditionele gegoten legeringen. Opmerkelijk is dat de rek behouden blijft op een hoger niveau onder 700°C, met slechts een lichte afname na overschrijding van 700°C. Door analyse van de breukmorfolgie observeerde de studie duidelijke temperatuurafhankelijke overgangen in het breukgedrag: bij 600°C vertoonide de breuk typische interkristallijne ductiele breukken, waarbij het breukoppervlak uniform verdeelde ondiepe ductiele putjes liet zien; tussen 750°C en 800°C gaat het breukmechanisme over naar interkristallijne breuk, met duidelijke brosse breukken; wanneer de temperatuur 850°C bereikt, vertoont het breukoppervlak een gemengd breukkarakter met zowel ductiele putjes als brosse breukvlakken.

Bron [1]

Conclusies

Deze studie onthult de kritieke invloed van de printpadontwerp op de microstructuur en eigenschappen van Inconel 625 legering. Door het toepassen van een printstrategie met hoog energie-invoer gecombineerd met een 90° laag-tot-laag rotatie, werd de traditionele columnaire korrelstructuur succesvol getransformeerd in een uniforme bijna-geëquiaxde korrelstructuur. Via geavanceerde microstructurele analyse-technieken werd vastgesteld dat deze unieke structuur distinctieve dislocatiebewegingspatronen vertoont tijdens vervorming: niet alleen planair glijden komt voor, maar er vormen zich ook wanden met hoge dichtheid aan dislocaties en specifieke dislocatievergrendelingsstructuren. De synergetische interactie van deze microstructurele mechanismen verleent het materiaal zowel uitstekende sterkte als ductiliteit.

Opmerkelijk is dat de interlaag fijnkorrelige zones die zich tijdens het printen vormden, de prestaties niet verzwakten, maar juist verbeterden. Testresultaten tonen aan dat deze geoptimaliseerde bijna equiaxiale kristalstructuur uitstekende mechanische eigenschappen vertoont over een breed temperatuurbereik, van kamertemperatuur tot hoge temperaturen. Deze ontdekking biedt nieuwe procesinzichten voor high-performance additieve productie van kritieke componenten in de lucht- en ruimtevaart en andere sectoren, met ruime toepassingsmogelijkheden.

Paper link ：

[1] https://doi.org/10.1080/21663831.2025.2476174