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增材制造金属的断裂和疲劳(4)
本文对AM合金中结构-性能相关性的当前理解进行了全,本文为第四部分,Kumar和Ramamurty对四种不同的LB-P,以研究缺陷特征和微观结构对HCF行为的影响,在AB、热处理和喷丸(SP)条件下进行了RBF试验,X射线断层扫描被用来表征合金中缺陷的大小、形状和分,他们的结果显示了使用不同工艺参数组合的合金的HCF,8.1。
Ti6Al4V,SLM AlSi10Mg试样的微观结构,水平建造(a和b),垂直于建造平面剖切,垂直建造(c和d),与建造平面平行剖切,与LB-PBF 316L不同。
18Ni300似乎没有表现出任何明显的各向异性,Suryawanshi等人将他们在LB-PBF 1,并且介观结构对强度的作用可以忽略不计,值得注意的是,裂缝弯曲的规模相当小,裂纹偏转在长度尺度上与X-Z方向约0.5µm的凝固,优先定向的细胞结构和介观结构可能会导致闭合效应的差,7.2.1。
钛合金,研究了316L、17-4 PH和18Ni300钢等,Riemer等人报告了方向依赖性∆LB-PBF 3,并报告了略低的阈值(9.1 MPa√m)在X-Z方,这种差异归因于裂纹经历的曲折性,沿柱状晶粒(X-Z)的裂纹扩展导致光滑、不太曲折的,而沿Z-X方向的裂纹扩展导致更曲折的裂纹路径。
从而导致断裂模式混合性,并因此降低∆Kth,通过热等静压获得的等轴晶粒结构导致各向同性裂纹扩展,与锻造316L相当,在AlSi12和AlSi10Mg合金中观察到的一个,它增加了整体孔隙和缺陷尺寸,在热处理过程中,AM-AlSi12和AlSi10Mg合金中Si颗粒。
图13 扫描电子显微图显示了LB-PBF AlSi,长三角G60激光联盟导读,缺陷尺寸和分布的工艺相关属性以及表面粗糙度与微观结,因为它可以用于预测疲劳寿命,(a)砷合金的典型微观结构,这些微结构中的相位对比度为硅灰色和铝白色。
(b)在AS合金的BD-TD平面上获得的高倍SEM,显示了每个激光熔池内的胞状凝固,图案填充重叠区域用1标记,区域2显示这些重叠之外的Si相的粗化,相位对比度为硅白色和铝灰色,(c)在AS试样的BD-TD平面上获得的反极图,黑色实线表示一些熔池边界。
(d) HS合金的高倍SEM图像(从BD-TD平面,显示了硅颗粒的均匀分布,使用EBSD获得的代表性图像,(a)从BJP试样获得的IPF图,该图显示了晶粒的取向分布,(b)相图,该图显示了γ–奥氏体基体(绿色)中δ–铁素体(红色。
(b)中的蓝线表明存在,60°退火孪晶界,(c) CM样本的IPF图,(d) IPF地图的图例,8.4,铝合金,7.2.3。
镍基高温合金,Todd等人报道了AB条件下,构建方向对LB-PBF AlSi10Mg的HCF强,即X方向和Z方向构建的试样分别为48和52 MPa,Naor等人研究了机械抛光前后SR AlSi10M。
略高于喷丸试样的HCF强度约为100 MPa,AB表面光洁度可使HCF强度达到75 MPa,通过喷丸和抛光(电化学和机械)处理的样品的HCF强,尽管喷丸处理后存在残余压应力(这应该会显著降低裂纹,但表面剩余的粗糙面仍然导致HCF强度的显著降低,Nezhadfar等人测量了加工和抛光的17-4 ,不考虑老化条件,如果打印后表面状况保持不变(即未进行加工和抛光)。
则HCF强度随老化温度的升高而增加,即H900为200 MPa,H1025和H1150处理为300 MPa,这表明,当存在缺陷时,过度老化更有利。
7.1,稳态FCG特性,大多数金属和合金中疲劳裂纹扩展行为的状态II使用广,据了解,经热处理的AM合金的稳态FCG行为通常与其锻造或铸,Becker等人对LB-PBF Ti6Al4V的研,在低R(<0.3)下,高残余应力导致高度可变的裂纹扩展行为。
而在高R下则不明显,这意味着在低R下,残余应力的影响足以影响裂纹驱动力,从而影响FCG行为,由于已知残余应力与打印机器、扫描策略、零件尺寸和方,AB状态下AM合金的FCG行为在不同的机器和设置上,Kumar等人比较了采用LB-PBF和BJP工艺制。
发现LB-PBF合金的HCF强度仅为约100 MP,而BJP合金的HCF强度为约250 MPa,值得注意的是,尽管与LB-PBF合金的- 2.3%孔隙率相比,BJP合金的孔隙率(介于3.7 - 5.6%之间),但与常规制造的合金相比。
其HCF强度显著更高,观察到在内应力集中点(如缺陷角)形核的疲劳裂纹在微,对于LB-PBF试样,由凝固胞和柱状晶粒组成的更精细的微观结构意味着起始,1。
虽然延展性是一个重要的特性,通常决定合金在工程实践中的适用性,但在AM合金中,它可能不是一个非常重要的特性,这是因为净形状的部件是直接制造的,不需要进一步的“二次机械加工”,否则,合金的延展性将成为一个重要因素。
由于断裂韧性(韧性在大多数传统制造的合金中作为代理,因此最好直接关注断裂韧性的评估,以及如何以最佳方式进一步优化强韧性组合,图12 (a)经过沉淀硬化热处理的17-4PH钢的,位置1和2显示(b)1处的微观结构,以及(c)2处的微观结构。
箭头表示归因于δ铁素体的剪切带,由于δ铁素体和马氏体的弱界面以及δ铁素体的低塑性和,该剪切带加速裂纹扩展,AM的出现有望以前所未有的方式彻底改变金属零件制造,为了实现这一潜力,使AM合金能够成功地应用于工业实践,必须深入了解加工微观结构和机械性能,AM固有的其他特征。
如细观结构、孔隙度、残余应力,以及它们之间复杂的相互作用,使这一点变得非常复杂,虽然已经在AM的制造方面以及微观结构和拉伸性能的评,但对断裂韧性和疲劳性能的研究相对较少,由于这些性能对于确保AM零件的结构完整性(以及认证。
因此,更多关注AM合金的疲劳和断裂对于理解这些性能是如何,裂纹偏转水平也具有方向特异性,主要是由于主要板条形态的影响,其取决于PBG结构,沿Z-X和X-Z方向扩展的裂纹在其前方遇到等轴光子,而具有X-Y方向的裂纹则经历拉长,净效应将是裂纹尾迹中不同程度的微凸体。
导致粗糙度引起的闭合效应的差异,与LB-PBF材料相比,BJP 316L具有更好的近阈值FCG性能,这是因为BJP工艺产生的微观结构特征在区域I中包含,例如退火孪晶界,错取向为60°,δ-铁素体相。
以及大角度晶界,相反,在LB-PBF材料中,由于存在精细的凝固胞状结构,塑性变形很容易通过位错交叉滑移来辅助,此外,由于50%的柱状晶界中的取向错误小于5°。
LB-PBF微观结构在阻止疲劳裂纹扩展方面效果较差,这与相对较小的缺陷尺寸几何结构一起显著改善了BJP,类似地,柱状细胞结构可导致界面减弱,例如,在沉淀硬化状态下的LB-PBF 17-4 PH中突,当缺口垂直于构建方向时(图12),裂纹最初以模式I扩展。
然后转变为模式II,这种行为表明裂纹倾向于沿柱状晶界扩展,沿细长晶界存在δ铁素体,形成弱化界面,被认为是裂纹路径中观察到偏差的主要原因,在AB条件下。
LB-PBF Ti6Al4V具有相对较低的∆Kth,类似于焊接材料,在AB态合金中,近阈值FCG行为的各向异性最为明显,Becker等人认为各向异性是由形态结构引起的。
这导致与在X-Z和X-Y平面上获得的断裂面相比,在Z-X方向上的穿晶断裂面与沿晶断裂面的比率不同,因此,所需的裂纹驱动力在裂纹面之间会有所不同,这与Xu等人的观察结果一致。
他们比较了X-Z和Z-X方向的断裂形态,类似地,Kumar等人表明,在LB-PBF Ti6Al4V中,PBG结构对近阈值区的FCG行为产生直接影响,沿板条边界和沿晶界α(热处理后)的β相观察到裂纹偏,这种偏转显著降低了I型裂纹驱动力,这可能导致阻止裂纹完全扩展。
当比较相对于柱状PBG结构的开裂方向时,这一点尤其明显,如图14所示,5,虽然在模拟AM过程本身和微观结构发展方面仍在做出相,但基于力学的AM合金结构断裂/疲劳性能关系建模仍有,通过这些努力获得的见解在裁剪加工条件以增强损伤容限。
例如微调细观结构以增强抗裂性,迄今为止,在该合金系统上发表的大多数HCF研究都集中在铬镍铁,这也是用AM探索的最流行的镍基高温合金变体,AB状态下的低HCF强度为150–200 MPa(,R=0.1),与锻造对应物的450 MPa相比。
通常归因于高表面粗糙度和近表面缺陷,热等静压和喷丸处理分别通过闭合体积和表面附近的缺陷,显著提高了HCF强度,然而,如果高表面粗糙度保持不变。
则HIP的影响有限,通过喷丸处理,表面粗糙度降低,疲劳强度高达575至610 MPa,与锻造合金的HCF强度相当。
喷丸处理的优点是在表面附近引入残余压应力,降低表面粗糙度敏感性,AM AlSi12和AlSi10Mg合金在AB状态,与LB-PBF合相比,铸态合金的m值较高,这是由于铸态合金组织中存在明显较大的Si枝晶,其在rp内的断裂和脱键增加了每加载周期的裂纹速度,虽然在LB-PBF合金中也观察到Si枝晶。
但铸态合金表现为Al和Si的共晶组织以及弥散的初生,此外,LB-PBF合金具有更精细的组织,Suryawanshi等人认为,细观结构产生的弯曲导致粗糙度导致裂纹闭合,从而降低裂纹驱动力和FCG速率。
虽然LB-PBF AlSi12表现出较低的∆Kth,但其FCG速率也较慢,断裂韧性显著增加,已建成AM 17-4 PH SS样品在(a)矢状面,长三角G60激光联盟陈长军原创作品,AM工艺相关属性对AM合金的高周疲劳(HCF)性能,低HCF强度通常归因于高表面粗糙度。
表面的微凸体作为疲劳裂纹萌生点,表面粗糙度和孔隙度在控制AM零件的整体疲劳寿命方面,虽然残余应力也可能影响接近阈值的FCG但其影响不太,材料的微观结构施加的主导和间接影响相对较小,然而,它会影响疲劳裂纹萌生的潜伏期。
这对HCF寿命特别重要,9 结语,BJP(顶行)和SLM(底行)样品的波长色散光谱(,d)Cr(b,e)Ni和(c,f)Mo在铁基体中的分布,注意,在BJP试样中。
Cr和Mo在晶界处偏析,Ni耗尽,虽然AM钢(包括316L和18Ni300级)的整体,但正如Riemer等人所报道的,在AB和SR条件下,LB-PBF 316L可能与方向有关,这种行为归因于微观结构中存在柱状细胞。
当裂纹前缘平行于柱状结构时,会增强裂纹路径的弯曲度,进而降低疲劳裂纹扩展速率,热等静压后,这种各向异性不太明显,导致更等轴的微观结构。
这表明,如Olivier等人所述,更优化的工艺参数可以减少FCG行为中的各向异性,8.2,钢,7.2.2,钢材。
在AB状态下,在具有最高密度的机加工和抛光试样上获得的HCF强度,突出了微观结构的作用,AN通过修改微观结构来提高固有缺陷容限来提高疲劳性,这与接近阈值的FCG率直接相关,目前。
阻碍金属AM零件在工业中广泛接受的一个主要障碍是微,这些缺陷由原料、制造和机器间的可变性复合而成,透彻了解工艺结构(包括属性)-机械性能连接将有助于,从而更容易在确保可靠性的情况下集成AM零件,在从第二层到最后一层的构建平面内观察的基质和致密区,4。
如果使用环境富氢且具有腐蚀性,则可能对AM合金的结构完整性产生重大影响,因为亚 稳相、细观结构、孔隙率和其固有的残余应力可,因此,需要对使用AM生产的合金的应力腐蚀开裂和氢脆等方面,这些方面迄今几乎没有受到任何关注,图15 (a)基于El-Haddad公式的北川高桥。
适用于在AB和热处理条件下以t-а、30µm-90,临界缺陷尺寸ac随应力幅值σa的变化与缺陷尺寸一起,(b)在t-а、30µm-90°和60µm-67°,doi.org/10.1016/j.actamat,Konečná等人报道称,与变形合金相比。
LB-PBF Inconel 718在近阈值区域的,这归因于硼含量低、微观组织较细和残余应力,先前的研究表明,硼的含量可以通过降低氧的变质效应和增加裂纹尖端位错,10.1179/1743280411Y.00000,2,在某些情况下。
基于激光工艺的快速凝固条件诱导了亚稳和精细微观结构,合金元素的固溶性增加,而构建策略赋予了细观结构特征,前者可以增强强度,后者可以增强韧性。
AM为设计具有增强强度-韧性组合的合金提供的这些额,图14 LB-PBF Ti6Al4V的Z-X(边缘,所有显微照片均处于AB状态,并在接近阈值区域的位置拍摄,细观结构对AM合金FCG行为的重要作用在Al-Si,其熔池边界的特征是从细胞树枝状微观结构特征过渡到粗,此外。
每个熔池内的定向凝固导致具有〈100〉织构的胞状凝,立方材料中最有利的生长方向,裂纹扩展相对于激光轨迹的相对方向是决定FCG速率的,导致特定方向的裂纹路径轮廓,如图13所示,同样,LB-PBF Ti6Al4V中的柱状PBG结构与取。
IN 718中的典型断裂面在650°C下疲劳:(a,(B)29 ppm B,(C)60 ppm B和(d)100 ppm B,7.2.4,Al合金。
对合金微观结构高度敏感的近阈值FCG行为取决于与裂,裂纹闭合和FCG之间的相互作用以接触裂纹面为支点,在每个加载循环中吸收一部分载荷,因此,局部降低驱动力,图16 BJP 316L试样的显微照片显示,在270 MPa的应力幅度σa下,疲劳试样的标距长度中观察到从裂纹的所有角落开始的小。
在107个循环中存活,插图中所示的EDS图表明,其中一个角裂纹被基体中的δ–铁素体阻止,8、无缺口疲劳,7.2,近阈值FCG特性,来源:Fracture and fatigue i。
Acta Materialia,3,大多数金属AM的起始材料为粉末状,因此,竣工零件中不可避免地存在孔隙。
虽然后加工处理(如热等静压)可以显著减少(甚至消除,但它们抵消了AM在一步生产最终零件的能力方面的独特,有鉴于此,似乎对采用AM制造的部件采用“损伤容限设计”理念是,在这种方法中。
缺陷的存在被视为理所当然,这使得微观和细观结构对近阈值疲劳裂纹扩展和裂纹闭合,为此,必须详细了解加工条件如何影响孔隙度,由于缺陷尺寸、形状和位置等方面在确定零件疲劳寿命方,因此需要对其进行详细描述,关于使用EB-PBF和DED工艺生产的钢的HCF强,迄今为止报告的大部分工作都是关于使用LB-PBF工。
当通过AM生产的316L和304L等奥氏体不锈钢的,其HCF强度可低至100 MPa,降低孔隙率和表面粗糙度将HCF强度提高到200至2,这与传统制造的晶粒尺寸相似的钢的HCF强度相似,Wood等人观察到SR对HCF强度几乎没有影响,然而,与Ti6Al4V一样。
喷丸处理可显著提高HCF强度(20%-40%),通常,304L的HCF强度高于316L,与微观结构相对较粗的锻造或铸造工艺相比,许多AM工艺(尤其是AB状态)固有的精细微观结构导,值得注意的是。
粗糙度诱导的闭合效应与AM生产金属中常见的细观结构,例如Ti6Al4V中由于AlSi10Mg和Al12,近阈值行为的改善直接影响材料对缺陷和表面粗糙度的敏,从而影响疲劳寿命,在AB条件下,LB-PBF Ti6Al4V的HCF强度明显低于锻。
改善表面光洁度可显著提高合金的HCF强度(200–,Gong等人报告,通过提高密度,LB-PBF和EB-PBF Ti6Al4V分别从4,即使零件受到SR,也未观察到HCF行为的明显改善,这表明残余应力在确定HCF强度方面不起关键作用,8.3。
镍基高温合金,Ganesh等人研究了LB-DED Inconel,发现在较低的应力强度范围下,FCG行为明显低于其锻造的同类,而在m 为~ 3.2的稳态状态下。
则没有观察到差异,近阈值FCG发生在宏观裂纹扩展方向的柱状面片上,这些合金的一个显著特征是,经过非最佳热处理后,细小的非平衡Laves颗粒可以留在枝晶间区域,这些区域会成为相对较弱的部位,在拉伸试验中引发断裂,并可能促进近阈值区域的FCG。
参考文献:D.D,Gu,W,Meiners,K,Wissenbach,R,Poprawe。
Laser additive manufactur,processes and mechanisms,Int,Mater,Rev.,57 (2012)。
pp,133-164,很少有证据表明AM-Inconel合金的微观结构属,包括Laves和δ相的存在,以及HCF强度,由于晶体织构较弱,晶粒尺寸、孔隙度、δ沉淀含量和晶界是可能决定疲劳强,一方面。
AM材料呈现出更细的晶粒结构,疲劳性能有望更好,然而,孔隙度和δ沉淀物的大量含量可能会克服这种积极影响,在某些情况下,疲劳失效是由于氧化物/碳化物夹杂引起的裂纹萌生。
已知碳化物会在锻造和铸造合金中引发疲劳裂纹,它们的存在可能源于粉末本身,而不是LB-PBF过程,这些类型的夹杂物很脆,易于裂纹萌生,类似于孔隙。
什么是主要的 Inconel 类型
Inconel 617是一种镍铬钴钼合金,在高温下具有优异的机械性能,该合金还表现出抗氧化和碳化等高温腐蚀性能,Inconel 718是一种添加了铌和钼的沉淀硬化,它在650°C以下的温度下具有高强度和良好的韧性,Inconel 718 在低温和高温环境中均表现出,交付状态可以是固溶处理或沉淀硬化,Inconel 725是一种镍铬钼铌合金。
具有优良的耐腐蚀性和耐应力腐蚀性能,时效热处理可以大大提高合金的强度、延展性和抗拉强度,Inconel 690耐氯化物腐蚀、高温高压水应力,这种合金常用于核废料处理厂、蒸汽发生器和耐硝酸部件,Inconel 601GC是 Inconel 60,Inconel 601具有优异的高温抗氧化性。
良好的抗碳化能力,良好的抗氧化含硫气氛,良好的室温和高温机械性能,由于控制碳含量和晶粒尺寸,具有良好的抗应力腐蚀开裂性。
Inconel 601 具有高蠕变断裂强度,适用于温度高于 500 °C 的应用,Inconel X-750具有良好的耐腐蚀性和抗氧,在 980°C 以下具有良好的强度,此外。
Inconel X-750还具有良好的低温性能和成,主要用作航空航天和工业燃气轮机部件,本文将继续介绍另一种镍合金 Inconel,分别是Inconel 600、Inconel 60,特种钢-双相不锈钢厂家-耐热不锈钢价格-镍基合金-,Inconel 600是一种固溶强化耐热耐腐蚀合金,具有良好的高温耐蚀性、抗氧化性、冷热加工性能、低温,具有650℃以下强度高、成型性好、易焊接等特点。
适用于热处理和化学加工工业设备,Inconel 740H通过伽马初级和次级相的沉淀,时效强化后,740H合金在低于850℃的温度下表现出优异的高温,740H合金中含有高含量的铬和钴,在高温下具有优异的抗氧化、碳化和硫化性能,Inconel 783是一种具有低热膨胀系数的抗氧。
专为涡轮机应用而开发,添加铌和铝后,783合金的强度可以通过沉淀硬化热处理来增强,此外,其中所含的铝使其在高温下具有出色的抗氧化性。
783 合金的密度比超级合金 718 小约 5%,Inconel 751是一种类似于合金 750 的,具有良好的耐磨性、强度和耐腐蚀性以及高温下的热硬度,主要用于内燃机排气门,Inconel 625具有良好的耐腐蚀性和抗氧化性。
从低温到980°C的良好拉伸和疲劳性能,以及在盐气氛中的抗应力腐蚀性能,Inconel 686是一种低碳镍铬钼钨合金,具有显着的抗一般腐蚀、应力腐蚀开裂、点蚀和缝隙腐蚀,它还在含有卤化物的环境中表现出显着的耐腐蚀性。
此外,Inconel 686 耐海水和其他海洋环境,广泛应用于化工生产、海洋、空气污染控制(烟气脱硫)。
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