กระบวนการ DED ช่วยยกระดับสมรรถนะของวัสดุ Inconel 625 ได้อย่างไร

วิธีที่ DED ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของวัสดุ Inconel 625

โครงการวิจัยร่วมระหว่าง ENIGMA กับมหาวิทยาลัยโนวาลิสบอน (NOVA University Lisbon) ซึ่งตีพิมพ์ในวารสาร Materials Research Letters ได้ศึกษาอย่างเป็นระบบว่าการออกแบบเส้นทางการพิมพ์ส่งผลต่อโครงสร้างจุลภาคและคุณสมบัติเชิงกลของวัสดุ Inconel 625 ที่ผลิตด้วยเทคนิค DED อย่างไร อินโคเนล 625 ผลการศึกษายืนยันสิ่งที่วิศวกรด้านกระบวนการสังเกตเห็นมาโดยตลอด: กลยุทธ์การสลับเส้นทางการพิมพ์ระหว่างชั้นด้วยมุม 90° สามารถเปลี่ยนโครงสร้างเม็ดเกรนของโลหะผสมจากเม็ดเกรนทรงกระบอกที่มีแนวการจัดเรียงแบบทิศทางเดียว ไปเป็นเม็ดเกรนที่ใกล้เคียงกับรูปทรงเท่ากันทุกด้าน (near-equiaxed grains) ส่งผลให้ได้ความแข็งแรงที่จุดไหล (yield strength) เท่ากับ 401 MPa ความแข็งแรงดึงสูงสุด (ultimate tensile strength) เท่ากับ 724 MPa และการยืดตัวได้ร้อยละ 57 — ซึ่งเป็นการรวมกันของความแข็งแรงและความเหนียวที่เหนือกว่า Inconel 625 แบบรีดร้อนแบบดั้งเดิม

อินโคเนล 625 เป็นซูเปอร์อัลลอยที่มีนิกเกิลเป็นส่วนประกอบหลัก ซึ่งได้รับการยกย่องเนื่องจากคุณสมบัติรวมกันของความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูง ความต้านทานการกัดกร่อน และความสามารถในการเชื่อม อย่างไรก็ตาม กระบวนการผลิตแบบดั้งเดิม — คือ การหลอมด้วยการเหนี่ยวนำในสุญญากาศตามด้วยการขึ้นรูปที่อุณหภูมิสูง — จำกัดรูปร่างเรขาคณิตและขนาดของชิ้นงานที่สามารถผลิตได้อย่างคุ้มค่า ขณะที่เทคโนโลยี DED เปลี่ยนแปลงพื้นฐานทั้งในแง่ของสิ่งที่สามารถผลิตได้ และประสิทธิภาพโดยรวมของชิ้นงาน

เหตุใดกระบวนการผลิตจึงมีความสำคัญมากกว่าองค์ประกอบทางเคมี

องค์ประกอบของ อินโคเนล 625 — มีนิกเกิลประมาณร้อยละ 58 โครเมียมร้อยละ 20–23 โมลิบดีนัมร้อยละ 8–10 และไนโอเบียมร้อยละ 3.15–4.15 — ถูกกำหนดไว้ตามมาตรฐานทางเทคนิคที่กำหนดไว้ อย่างไรก็ตาม สิ่งที่เปลี่ยนแปลงอย่างมากคือโครงสร้างจุลภาค ซึ่งโครงสร้างจุลภาคนี้เป็นตัวกำหนดคุณสมบัติเชิงกล ในกระบวนการหล่อแบบดั้งเดิม การแข็งตัวอย่างช้าๆ จะทำให้เกิดเกรนแบบคอลัมน์ที่หยาบและยาวหลายมิลลิเมตร พร้อมทั้งมีลักษณะการจัดเรียงผลึกที่ชัดเจน ในขณะที่กระบวนการ DED นั้นการแข็งตัวเกิดขึ้นภายในไม่กี่วินาทีแทนที่จะเป็นหลายนาที จึงส่งผลให้เกิดโครงสร้างเกรนที่แตกต่างโดยสิ้นเชิง — แต่โครงสร้างเฉพาะนั้นขึ้นอยู่กับกลยุทธ์เส้นทางการพิมพ์อย่างมาก

วิธีการแบบดั้งเดิมของเทคนิค DED — ซึ่งเป็นการสะสมแต่ละชั้นตามแนวทางเดียวกัน (กลยุทธ์ 0°) — จะก่อให้เกิดเม็ดผลึกแบบคอลัมน์ที่เติบโตแบบเอพิแท็กซีจากชั้นก่อนหน้า ส่งผลให้เกิดโครงสร้างผลึกแบบ <001> ที่มีการจัดเรียงอย่างชัดเจน โครงสร้างดังกล่าวทำให้คุณสมบัติเชิงกลมีลักษณะแปรผันตามทิศทาง (anisotropic): ความแข็งแรงและความสามารถในการดัดโค้งจะเปลี่ยนแปลงไปขึ้นอยู่กับทิศทางของแรงที่กระทำ ไม่ว่าจะขนานหรือตั้งฉากกับทิศทางของเม็ดผลึกแบบคอลัมน์ สำหรับชิ้นส่วนที่ต้องรับแรงหลายทิศทาง — ซึ่งเป็นกรณีทั่วไปในงานวิศวกรรมจริงทั้งหมด — ลักษณะแปรผันตามทิศทางนี้จึงไม่พึงประสงค์

การออกแบบเส้นทางการพิมพ์เปลี่ยนแปลงคุณสมบัติอย่างไร

การค้นพบสำคัญที่ทีมวิจัย ENIGMA-NOVA ระบุไว้เกี่ยวข้องกับการหมุนแนวเส้นทางการสะสมวัสดุ (deposition path) ไป 90° ระหว่างชั้นวัสดุที่ต่อกัน ซึ่งการเปลี่ยนแปลงกลยุทธ์การเคลื่อนที่ของหัวพ่นวัสดุ (toolpath) อย่างเรียบง่ายนี้ส่งผลลึกซึ้งต่อคุณสมบัติด้านโลหะวิทยา เมื่อแต่ละชั้นถูกสะสมในแนวตั้งฉากกับชั้นก่อนหน้า การเติบโตของเม็ดผลึกแบบคอลัมนาร์ (columnar grain growth) ซึ่งมิฉะนั้นจะดำเนินต่อเนื่องผ่านหลายชั้นก็จะถูกหยุดชะงัก ชั้นใหม่จะแข็งตัวบนพื้นผิวที่มีแนวการจัดเรียงของผลึก (crystallographic orientation) ต่างออกไป และการหลอมละลายผิวของชั้นก่อนหน้าอีกครั้งหนึ่งจะสร้างจุดเริ่มต้นของการตกผลึก (nucleation sites) ใหม่ ซึ่งส่งเสริมให้เกิดเม็ดผลึกแบบสมมาตร (equiaxed grain formation)

โครงสร้างจุลภาคที่ได้ของ อินโคเนล 625 มีความแตกต่างอย่างมากจากโครงสร้างแบบคอลัมน์ที่พบในการประมวลผล DED แบบดั้งเดิม โดยขนาดเฉลี่ยของเม็ดผลึกเปลี่ยนจากเม็ดผลึกที่ยืดยาวเป็นรูปคอลัมน์ซึ่งมีความยาวหลายร้อยไมโครเมตร ไปเป็นเม็ดผลึกที่มีรูปร่างใกล้เคียงกับทรงกลมมากขึ้น โดยมีความยาวประมาณ 527 ไมโครเมตร และกว้างประมาณ 172 ไมโครเมตร (อัตราส่วนด้านยาวต่อด้านกว้างเท่ากับ 3.06) ส่วนที่มีเม็ดผลึกขนาดเล็กซึ่งมีขนาด 37 ไมโครเมตร จะเกิดขึ้นบริเวณพื้นผิวระหว่างชั้น โครงสร้างเม็ดผลึกที่ละเอียดขึ้นและเกือบสมมาตรนี้ช่วยกำจัดความแปรผันของความแข็งแรงตามทิศทาง ซึ่งเป็นข้อจำกัดหลักของวัสดุที่ผ่านกระบวนการ DED แบบดั้งเดิม

การปรับปรุงคุณสมบัติเชิงกลมีความสำคัญอย่างยิ่ง การทดสอบแรงดึงที่อุณหภูมิห้องของเส้นทาง 90° อินโคเนล 625 แสดงความต้านแรงดึงที่จุดไหล (yield strength) ที่ 401 ± 12 เมกะปาสคาล ความต้านแรงดึงสูงสุด (ultimate tensile strength) ที่ 724 ± 5 เมกะปาสคาล และการยืดตัว (elongation) ที่ 57 ± 5% ค่าเหล่านี้เปรียบเทียบได้ดีกับอินโคเนล 625 ที่ผ่านกระบวนการรีดร้อนแบบดั้งเดิม ซึ่งโดยทั่วไปมีความต้านแรงดึงที่จุดไหลอยู่ระหว่าง 350–415 เมกะปาสคาล และความต้านแรงดึงสูงสุดอยู่ระหว่าง 690–760 เมกะปาสคาล ผลคูณของความเหนียวและความแข็งแรง (plasticity-strength product) ของวัสดุที่ผลิตด้วยกระบวนการ DED — ซึ่งเป็นตัวชี้วัดความสามารถรวมกันของความแข็งแรงและความเหนียว — สูงถึง 41.3 กิกะปาสคาล*เปอร์เซ็นต์ ซึ่งสูงกว่าค่าเฉลี่ยของวัสดุที่ผ่านกระบวนการรีดร้อนแบบดั้งเดิมที่ 32.1 กิกะปาสคาล*เปอร์เซ็นต์ อย่างมีนัยสำคัญ

ผลงานในอุณหภูมิสูง

อินโคเนล 625 ถูกกำหนดให้ใช้งานในสภาวะอุณหภูมิสูง และวัสดุที่ผ่านกระบวนการ DED ยังคงรักษาข้อได้เปรียบไว้ได้ตลอดช่วงอุณหภูมิ 400–850 องศาเซลเซียส คุณสมบัติด้านความแข็งแรงยังคงสูงกว่าวัสดุโลหะผสมแบบหล่อแบบดั้งเดิมอย่างสม่ำเสมอในช่วงอุณหภูมินี้ การยืดตัวยังคงสูงอยู่ที่อุณหภูมิต่ำกว่า 700 องศาเซลเซียส โดยลดลงเพียงเล็กน้อยเมื่ออุณหภูมิสูงกว่านี้ ลักษณะการหักของวัสดุเปลี่ยนจากแบบเหนียว (fracture mode แบบ intergranular dimpled fracture ที่ 600 องศาเซลเซียส) เป็นแบบผสม (mixed-mode) ที่อุณหภูมิ 850 องศาเซลเซียส — ซึ่งสอดคล้องกับช่วงอุณหภูมิในการใช้งานที่ออกแบบไว้สำหรับวัสดุชนิดนี้ในสภาวะอุณหภูมิสูง

พรมแดนระหว่างชั้นในกระบวนการ DED อินโคเนล 625 — ซึ่งเป็นประเด็นที่อาจก่อความกังวลสำหรับวัสดุที่ผลิตด้วยกระบวนการเพิ่มเนื้อ (additive manufacturing) ทุกชนิด — แสดงถึงความสมบูรณ์อย่างโดดเด่น ผลการวิเคราะห์ภายใต้กล้องจุลทรรศน์เปิดเผยว่า การแตกร้าวที่เกิดจากความเครียดจะเกิดขึ้นอย่างสอดคล้องกันภายในตัวเม็ดเกรน ไม่ใช่ที่บริเวณพรมแดนระหว่างชั้น นอกจากนี้ยังไม่พบการสะสมของแรงเครียดที่พรมแดนระหว่างชั้น ซึ่งยืนยันว่าการเชื่อมต่อระหว่างชั้นวัสดุที่ถูกฉีดพ่นนั้นมีลักษณะเป็นโลหะผสมอย่างสมบูรณ์ และไม่ได้เป็นจุดอ่อนเชิงโครงสร้างแต่อย่างใด

คำถามที่พบบ่อย

กระบวนการ DED ช่วยปรับปรุงคุณสมบัติเชิงกลของอินโคเนล 625 ได้อย่างไร?

การแข็งตัวอย่างรวดเร็วของกระบวนการ DED (10³–10⁵ องศาเซลเซียสต่อวินาที) ก่อให้เกิดโครงสร้างจุลภาคที่มีเม็ดเกรนละเอียด เมื่อนำมาใช้ร่วมกับการสลับเส้นทางการพิมพ์ระหว่างชั้นในมุม 90° โครงสร้างเกรนแบบคอลัมนาร์จะเปลี่ยนไปเป็นเกรนที่ใกล้เคียงกับแบบเอ็กวิแอ็กซ์ (equiaxed) ซึ่งช่วยกำจัดความแปรผันของคุณสมบัติที่ขึ้นกับทิศทาง ผลลัพธ์ที่ได้คือ ความต้านแรงดึงที่จุดไหล (yield strength) เท่ากับ 401 MPa ความต้านแรงดึงสูงสุด (tensile strength) เท่ากับ 724 MPa และความสามารถในการยืดตัว (elongation) อยู่ที่ 57% — ซึ่งเหนือกว่าอินโคเนล 625 ที่ผ่านกระบวนการรีดแบบร้อนแบบดั้งเดิม ทั้งในด้านความแข็งแรงและความสามารถในการยืดตัว

การสลับเส้นทางการพิมพ์คืออะไร และเหตุใดจึงมีความสำคัญต่ออินโคเนล 625?

การสลับเส้นทางการพิมพ์จะหมุนทิศทางการสะสมวัสดุไป 90° ระหว่างชั้นที่ต่อเนื่องกัน ซึ่งจะขัดขวางการเติบโตของเม็ดผลึกแบบคอลัมน์ในแนวเดียวกัน (epitaxial columnar grain growth) ที่เกิดขึ้นเมื่อทุกชั้นถูกสะสมในทิศทางเดียวกัน พื้นผิวของชั้นก่อนหน้าที่ถูกหลอมใหม่จะให้จุดเริ่มต้นของการเกิดผลึกใหม่ ส่งเสริมการก่อตัวของเม็ดผลึกแบบสม่ำเสมอ (equiaxed grain) และขจัดคุณสมบัติเชิงกลที่ไม่สม่ำเสมอ (anisotropic mechanical properties) ซึ่งเกิดจากโครงสร้างจุลภาคแบบคอลัมน์

คุณสมบัติของอินโคเนล 625 ที่ผลิตด้วยกระบวนการ DED เปรียบเทียบกับวัสดุที่ผลิตแบบดั้งเดิมอย่างไร

อินโคเนล 625 ที่ผลิตด้วยกระบวนการ DED พร้อมการสลับเส้นทาง 90° ที่ปรับแต่งอย่างเหมาะสม มีค่าผลคูณของความเหนียวและความแข็งแรงเท่ากับ 41.3 GPa*% เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุที่ผ่านการรีดขณะร้อน (hot-rolled) ซึ่งมีค่า 32.1 GPa*% แสดงให้เห็นถึงความสามารถในการรวมกันของความแข็งแรงและภาวะความยืดหยุ่นที่เหนือกว่า โครงสร้างจุลภาคที่มีเม็ดผลึกละเอียดซึ่งเกิดขึ้นระหว่างการแข็งตัวอย่างรวดเร็ว ส่งผลให้คุณสมบัติทั้งหมดสอดคล้องหรือดีกว่าข้อกำหนดสำหรับวัสดุที่ผ่านการขึ้นรูปด้วยแรงกล (wrought material specifications) ทั่วทั้งชุดคุณสมบัติเชิงกล

อินโคเนล 625 ที่ผลิตด้วยกระบวนการ DED สามารถรักษาความแข็งแรงไว้ได้ที่อุณหภูมิสูงหรือไม่

ใช่ วัสดุ Inconel 625 ที่ผลิตด้วยกระบวนการ DED รักษาความแข็งแรงไว้ได้สูงกว่าโลหะผสมแบบหล่อทั่วไปในช่วงอุณหภูมิ 400°C ถึง 850°C ความเหนียวยังคงมีเสถียรภาพที่อุณหภูมิต่ำกว่า 700°C และลดลงอย่างค่อยเป็นค่อยไปที่อุณหภูมิสูงกว่านี้ วัสดุเปลี่ยนจากพฤติกรรมการแตกแบบเหนียว (ductile) เป็นพฤติกรรมการแตกแบบผสม (mixed-mode fracture) ในช่วงอุณหภูมิ 600°C ถึง 850°C ซึ่งสอดคล้องกับพฤติกรรมที่คาดการณ์ไว้ของซูเปอร์อัลลอยที่มีพื้นฐานจากนิกเกิลภายใต้สภาวะการใช้งานที่อุณหภูมิสูงในช่วงนี้

รอยต่อระหว่างชั้นวัสดุที่ผลิตด้วยกระบวนการ DED เป็นจุดอ่อนของ Inconel 625 หรือไม่

ไม่ใช่ การวิเคราะห์ภายใต้กล้องจุลทรรศน์ยืนยันว่าการแตกหักของ Inconel 625 ที่ผลิตด้วยกระบวนการ DED เกิดขึ้นภายในเนื้อเกรน ไม่ใช่ที่บริเวณรอยต่อระหว่างชั้นวัสดุ ไม่มีการสะสมความเค้น (stress concentration) ที่ขอบเขตของแต่ละชั้นวัสดุ การหลอมละลายผิวของชั้นวัสดุก่อนหน้าใหม่ในระหว่างการวางชั้นวัสดุถัดไปทำให้เกิดการเชื่อมประสานทางโลหะวิทยาอย่างสมบูรณ์ และบริเวณรอยต่อระหว่างชั้นวัสดุไม่สามารถแยกแยะเชิงโครงสร้างออกจากวัสดุส่วนหลักได้

สามารถทำกระบวนการอบความร้อน (heat treatment) กับ Inconel 625 ที่ผลิตด้วยกระบวนการ DED ได้หลังจากการวางชั้นวัสดุหรือไม่

ใช่ โลหะผสม DED Inconel 625 สามารถผ่านกระบวนการอบอ่อนแบบโซลูชัน (solution annealing) และการอบแก่ (aging) ได้ตามข้อกำหนดมาตรฐานสำหรับการให้ความร้อนกับโลหะผสมนี้ การให้ความร้อนหลังการสะสมวัสดุจะช่วยลดแรงดันตกค้างที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิซ้ำๆ ระหว่างการสะสม และยังสามารถทำให้โครงสร้างจุลภาคสม่ำเสมอมากยิ่งขึ้นได้อีกด้วย วงจรการให้ความร้อนเฉพาะนั้นขึ้นอยู่กับสภาวะการใช้งาน เช่น การลดแรงดันที่อุณหภูมิ 870°C การอบแบบโซลูชันที่อุณหภูมิ 980–1,150°C หรือการอบแบบโซลูชันเต็มรูปแบบร่วมกับการอบแก่เพื่อให้ได้สมบัติที่ดีที่สุดภายใต้อุณหภูมิสูง