Hochtemperaturleistung des Drahtes | Wise Words Group Co., Ltd

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 4541 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Bei der Entwicklung eines Drahtlichtbogen-Energieabscheidungsverfahrens für Superlegierungen, die in Hochgeschwindigkeitsflugumgebungen verwendet werden, wurde Inconel 718 mithilfe eines Plasmalichtbogenverfahrens abgeschieden und auf seine Hochtemperaturleistung getestet. Das abgeschiedene Material wurde sowohl im abgeschiedenen Zustand als auch nach einer für diese Legierung branchenüblichen Wärmebehandlung zur Aushärtung getestet. Die Ergebnisse zeigten eine verminderte Leistung in beiden Ablagerungsbedingungen, wobei wärmebehandeltes Material bis zu 538 °C eine deutlich bessere Leistung als abgeschiedenes Material erbrachte. Der Leistungsunterschied war zwischen 760 und 1000 °C weniger signifikant, was auf einen Alterungsprozess im Test zurückzuführen ist, der die Leistung des abgeschiedenen Materials erhöhte. Die Mikrostruktur des abgeschiedenen Materials zeigte erhebliche Rissbildung in der gesamten Legierung und die Bildung von Sekundärphasen in der gesamten Matrix, wobei es nach der Wärmebehandlung zu deutlich mehr Ausfällungen kam.

Die Cranfield University ist auf die Entwicklung additiver Fertigungsverfahren (AM) mit gezielter Energieabscheidung (Directed Energy Deposition, DED) spezialisiert. Diese Studie konzentriert sich auf Draht-Lichtbogen-DED, auch bekannt als Wire + Arc Additive Manufacturing (WAAM); bei dem ein elektrischer Lichtbogen zur Abscheidung eines Drahtrohmaterials1 verwendet wird und bei dem die Abscheidungsraten um eine Größenordnung höher sind als bei verschiedenen anderen Metall-AM-Prozessen.

Viele Anwendungen im Zusammenhang mit Hochgeschwindigkeitsflügen erfordern Festigkeit bei hohen Temperaturen, was die Verwendung spezieller Legierungen wie Superlegierungen auf Nickelbasis oder Hastelloy erforderlich macht. Die Herstellung dieser Legierungen mithilfe von WAAM wird durch Materialeinsparungen und stark verkürzte Vorlaufzeiten erhebliche Kostensenkungen gegenüber der herkömmlichen Fertigung ermöglichen. Darüber hinaus wird die Entwicklung neuer Designs erheblich beschleunigt, da Prototypen schneller und kostengünstiger hergestellt werden können. In diesem Artikel wird die Auswirkung des WAAM-Prozesses auf die Hochtemperatur-Zugeigenschaften von Inconel 718 (IN718) untersucht.

Inconel 718 ist eine ausalterungsgehärtete Superlegierung auf Nickelbasis, die eine der am häufigsten verwendeten Legierungen für Komponenten von Luft- und Raumfahrtmotoren ist. IN718 wurde für den Einsatz bei hohen Temperaturen entwickelt und ist daher auf Festigkeit bei höheren Temperaturen, Kriechfestigkeit und eine gute Ermüdungslebensdauer bis 650 °C2 ausgelegt.

Eine Untersuchung der Zugeigenschaften und der Makrostruktur von Drahtlichtbogen-DED IN718 bei Raumtemperatur wurde neben anderen Legierungen in einer früheren Studie von James et al. untersucht. Sie fanden heraus, dass ausgehärtete Legierungen im abgelagerten Zustand (AD) im Vergleich zu ihrer in der Literatur angegebenen Knetfestigkeit deutlich schlechter abschnitten3,3. Seow et al. haben gezeigt, dass die Wärmebehandlung von Drahtlichtbogen-DED IN718 die Zugeigenschaften verbessert. berichteten über eine Zugfestigkeit bei Raumtemperatur (RT) von 86 % des bearbeiteten UTS mit einer modifizierten Wärmebehandlung4.

Bhujangrao et al. untersuchten die Hochtemperaturleistung von WAAM IN718 im Vergleich zum bearbeiteten Material und stellten fest, dass die Bildung von Laves-Phasen zu einer Leistungsminderung im WAAM-Material führt, was ihrer Meinung nach auf das spröde Verhalten der Laves-Phase zurückzuführen ist, die als bevorzugte Bruchstelle fungiert Pfad5. Die Arbeit von Lan et al. berichtet auch über die Bildung der Laves-Phase zwischen dendritischen Armen und deren Zusammenhang mit Rissbildung8. Artaza et al. untersuchten Methoden zur Kontrolle der Rissbildung in WAAM IN718 und fanden in der Studie heraus, dass die Verwendung einer Interpass-Kühlstrategie die Bildung von Laves-Phasen kontrolliert und die Rissbildung reduziert6.

Bei der Verwendung von In-situ-Walzen mit Laser-DED haben Li et al. fanden heraus, dass die in IN718 gebildeten Laves-Phasen durch das mechanische Walzen der abgeschiedenen Schichten stärker verteilt waren und in einem geringeren Volumenanteil im Vergleich zum abgeschiedenen Material vorkamen. Sie fanden außerdem heraus, dass die rollunterstützte Laser-DED die Zugeigenschaften von IN7189 verbesserte.

Um die Auswirkungen des WAAM-Prozesses auf die Hochtemperatur-Zugeigenschaften von AD und wärmebehandeltem IN718 für eine Hochgeschwindigkeitsfluganwendung genauer zu verstehen, wurden Tests bei RT – 1000 °C durchgeführt. Es wird erwartet, dass die Anwendung Außenstrukturen Betriebstemperaturen von bis zu 1000 K (727 °C) und 1200 + K (927 °C) für Komponenten im Antriebsströmungspfad aussetzt.

Zur Abscheidung eines Inconel 718 (IN718)-Drahts mit 1,2 mm Durchmesser wurde ein Wire-Arc-Directed-Energy-Deposition-Verfahren (DED) eingesetzt, das allgemein als Wire + Arc Additive Manufacturing (WAAM) bekannt ist. Der Versuchsaufbau umfasste: ein dreiachsiges lineares CNC-System, eine Migatronic 320 A AC/DC-Plasmastromquelle, einen wassergekühlten Plasmabrenner, der an einer verstellbaren Vorrichtung am CNC-System montiert ist, einen externen Drahtvorschub und ein Handschuhfachgehäuse eine Argonatmosphäre, kontrolliert mit einem Sauerstoffanalysator, bei einem Gehalt unter 800 ppm Sauerstoff. Der Versuchsaufbau ist in Abb. 1 dargestellt. Der Versuchsaufbau wurde im Einklang mit der früheren Arbeit von James et al. gehalten. zur WAAM-Abscheidung derselben Legierung7.

Experimenteller WAAM-Aufbau7.

Auf einer Seite des Substrats wurden Wandstrukturen in einer einzigen Richtung abgeschieden. Für die Abscheidung wurden folgende Parameter verwendet: ein Lichtbogenstrom von 180 A, eine Drahtvorschubgeschwindigkeit von 1,8 m/min, eine Brennerfahrgeschwindigkeit von 5 mm/s, ein Brenner-Arbeitsabstand von 8 mm und schließlich ein Durchlauftemperatur von 170 °C nach ca. 3 Minuten Abkühlen.

Nach der Abscheidung wurden Proben zu Testzwecken aus der gebauten WAAM-Wand entnommen und zu Zugproben verarbeitet. Vor der Prüfung wurde die Hälfte der Proben einer Wärmebehandlung zur Aushärtung unterzogen, die dem Industriestandard für Knetlegierungen entspricht. Die Proben durchliefen einen Prozess, der aus einer einstündigen Lösungsbehandlung bei 970 °C und anschließendem Abschrecken mit Wasser sowie einem weiteren achtstündigen Alterungsprozess bei 718 °C bestand. Anschließend ließ man die Proben im Ofen auf 620 °C abkühlen, wo sie sich befanden weitere acht Stunden gehalten. Nach Abschluss des Alterungsprozesses wurden die Proben an der Luft abgeschreckt.

Um die Leistung von WAAM IN718 und die Auswirkung der Wärmebehandlung nach der Abscheidung zu verstehen, wurden Zugproben bei Raumtemperatur (RT), 538, 760 und 1000 °C sowohl im abgeschiedenen Zustand (AD) als auch im wärmebehandelten Zustand (HT) getestet. Bedingungen. Zugversuche gemäß ASTM E8(M) für RT-Tests und E21 für Hochtemperaturtests. Zeichnungen der verwendeten Proben sind in den Abbildungen enthalten. 2 und 3. Alle Tests wurden mit einem servohydraulischen Universaltestsystem Instron 8801 mit einer Dehnungsrate von 0,005 min-1 bis zum Einsetzen der plastischen Verformung und danach einer Traversengeschwindigkeit von 1,6 mm/min durchgeführt. Vor Beginn der Prüfung wurden Hochtemperaturproben 30 Minuten lang auf der Prüftemperatur gehalten. An mehreren Stellen der WAAM-Wand wurden Proben entnommen, um Abweichungen in den Ergebnissen aufgrund etwaiger Alterungseffekte auf die Legierung durch den WAAM-Prozess zu minimieren.

RT-Zugversuchsprobestück gemäß ASTM E8M, Probe in Untergröße. X ± 0,5 mm, XX ± 0,1 mm. (Nicht maßstabsgetreu).

Zugprobestück bei erhöhter Temperatur, verwendet bei 538–1000 °C, entsprechend den Anforderungen von ASTM E21. X ± 0,5 mm, XX ± 0,1 mm. (Nicht maßstabsgetreu).

Zur mikrostrukturellen Beurteilung wurden auch Proben entnommen. Proben wurden aus den WAAM-Wänden in Baurichtung (BD) entnommen – Querschnitte durch die Dicke (TT) – und dann durch aufeinanderfolgendes Montieren, Schleifen und Polieren für die metallografische Analyse vorbereitet. Um die Mikrostruktur aufzudecken, wurden die Proben 10 s lang mit Kallings Reagenz Nr. abgewischt. 2. Die Proben wurden optisch mit einem Leica DM 2700 M-Mikroskop und unter einem Rasterelektronenmikroskop (REM) mit einem TESCAN Vega 3 REM untersucht.

Die mechanische Leistung im Temperaturbereich ist sowohl in Tabelle 1 als auch in Abb. 4 angegeben. Die Ergebnisse werden zusammen mit den Literaturwerten für IN718 im bearbeiteten Zustand dargestellt. Wie aus den Literaturdaten zu erwarten war, wurde bei steigender Testtemperatur ein Leistungsabfall beobachtet. Die Leistung des WAAM-Materials bleibt hinter dem bearbeiteten Zustand zurück.

Grafische Darstellung der in Tabelle 1 dargestellten Daten. UTS (links), YS (rechts). (Farbe im Druck).

AD-Material erreicht bei RT- und 538 °C-Tests im Durchschnitt nur 40 % der Knetfestigkeit, beim Test bei 760 °C steigt die durchschnittliche Leistung jedoch auf 62 % der Knetfestigkeit (UTS) und 74 % der Knetfestigkeit (YS). Die Steigerung der Vergleichsleistung bei der Testtemperatur von 760 °C weist auf einen Alterungseffekt im Test hin, bei dem das Material während des Tests seiner Alterungstemperatur ausgesetzt war. Dies wird durch die Ergebnisse der HT-Proben bestätigt, die eine viel konsistentere Vergleichsleistung mit den bearbeiteten Daten erzielen. HT-Proben erreichen 60 % der bearbeiteten UTS bei RT und 538 °C und 67 % bei 760 °C.

Beim Test bei 1000 °C ist der Unterschied zwischen AD- und HT-Proben weniger deutlich und der Unterschied im Elastizitätsmodul ist während des gesamten Tests vernachlässigbar.

Der Elastizitätsmodul beträgt ca. 86 % des bearbeiteten Materials sowohl für AD- als auch für HT-Proben. Dies ist vermutlich auf geringfügige Änderungen in der chemischen Zusammensetzung zurückzuführen, die während der Wärmebehandlung auftreten, wie von Parveen und Murthy10 diskutiert. Dies könnte aufgrund des durch den WAAM-Prozess verursachten Alterungseffekts sowohl für AD- als auch für HT-Proben gelten, wie zuvor von Xu et al.11 beobachtet.

Die Gesamtmikrostruktur von AD- und HT-Material ist in Abb. 5 dargestellt. Im gesamten Baumaterial sind erhebliche Risse zu beobachten, und nach der Wärmebehandlung treten Risse stärker auf.

Gesamtmikrostruktur.

Ein Vergleich zwischen AD- und HT-Mikrostruktur ist in Abb. 6 dargestellt. Im HT-Zustand ist visuell viel mehr Niederschlag zu beobachten als im AD-Zustand, was nicht unerwartet ist. Im AD-Zustand weist die Mikrostruktur kettenförmige Inseln aus Ausscheidungen auf, die an den Dendriten sichtbar sind. Wenn die Legierung einer Wärmebehandlung unterzogen wurde, sind diese Ausscheidungen von nadelförmigen Ausscheidungen in einem Widmanstätten-Thomson-Muster umgeben, die man als Laves bezeichnet umgeben von einer nadelförmigen δ-Phase, die auch von Xu et al. beschrieben wurde. in IN718 hergestellt durch Drahtlichtbogen DED13. Sowohl im AD- als auch im HT-Zustand wurde ein erhebliches Ausmaß an Rissbildung beobachtet, wie in den mikroskopischen Aufnahmen zu sehen ist. Der Rissrand scheint die gleichen sekundären Phasen zu enthalten, die in der gesamten Matrix zu beobachten sind, und auch hier fällt bei der Wärmebehandlung lokal eine nadelförmige Phase aus (Abb. 7). Die Ausfällung dieser nadelförmigen Phasen kann im REM genauer betrachtet werden, dargestellt in Abb. 8.

AD- und HT-Mikrostruktur. AD links, HT rechts.

Sekundärphasen am Rissrand im HT-Zustand.

REM-Ansicht der Sekundärphasen im HT-Zustand.

Die Bildung dieser Phasen an den Risskanten deutet darauf hin, dass die Phasen sich nachteilig auf die Leistung auswirken und während der Erstarrung zu Rissen führen, was zweifellos ein Faktor ist, der zu den im Vergleich zu den Schmiedewerten beobachteten Leistungsdefiziten beiträgt.

Die Struktur von IN718, die mittels Draht-Lichtbogen-DED erzeugt wird, besteht bekanntermaßen aus großen säulenförmigen Körnern, die sich nachteilig auf die ausgehärtete Matrix auswirken. James et al. beobachteten in einer früheren Studie die breitere Mikrostruktur von IN718 sowie anderen Legierungen3.

Wie bereits erwähnt, geht man davon aus, dass Tests bei erhöhter Temperatur dazu geführt haben, dass die AD-Proben während des Tests altern, was auf eine Leistungssteigerung der AD-Proben beim 760-°C-Test zurückzuführen ist, bei dem AD-Proben die Leistung der HT-Proben erreichen. Die Mikrostruktur hinter der Bruchfläche von AD-Proben ist in Abb. 9 bei jeder getesteten Temperatur dargestellt. In der Mikrostruktur ist deutlich die Ausfällung von Phasen bei 760 °C sowie die Bildung nadelförmiger Phasen nach Prüfung bei 1000 °C zu erkennen.

Mikrostruktur hinter der Bruchfläche von AD-geprüften Proben, die den Alterungseffekt der Prüftemperaturen zeigt.

Die Abscheidung von IN718 mittels Drahtlichtbogen-DED wirkt sich auf die Zugfestigkeit aus. AD- und HT-Material erreichen 40 bzw. 60 % der bearbeiteten UTS im Bereich von RT – 538 °C.

Die Wärmebehandlung von AD-Material mit der branchenüblichen Behandlung erhöht die Leistung, führt jedoch nicht zu einer Steigerung der Knetleistung.

Der Test von AD-Material bei 760 °C führt zu einer Leistungssteigerung aufgrund eines Alterungseffekts im Test.

Drahtlichtbogen-DED verursacht Erstarrungsrisse in IN718, wo sich Sekundärphasen an den Rissrändern befinden.

Die im Rahmen der aktuellen Studie generierten und analysierten Datensätze sind nicht öffentlich verfügbar, da sie Gegenstand einer laufenden Studie sind, können aber auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor angefordert werden.

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Die Autoren danken dem britischen Verteidigungsministerium für seine finanzielle Unterstützung und den Industrieaufsichtsbehörden von DSTL Porton Down für ihre fortlaufende Beratung und Anleitung: Herrn Graham Simpson und Dr. Matthew Lunt.

Diese Arbeit wurde vom Defence Science & Technology Laboratory, UK (DSTL) finanziert. Die Autoren haben keine relevanten finanziellen oder nichtfinanziellen Interessen offenzulegen.

Zentrum für Schweißen und additive Fertigung, Cranfield University, Cranfield, MK43 0AL, Bedfordshire, Großbritannien

William Sean James, Supriyo Ganguly und Goncalo Pardal

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WSJ – Untersuchung, Datenkuratierung, Schreiben (ursprünglicher Entwurf), Visualisierung. SG – Schreiben (Rezension und Bearbeitung), Betreuung, Finanzierungsbeschaffung. Hausarzt, Schreiben (Rezension und Bearbeitung), Supervision. Alle Autoren stimmen der Veröffentlichung dieses Artikels zu.

Korrespondenz mit William Sean James.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

James, WS, Ganguly, S. & Pardal, G. Hochtemperaturleistung von mit Drahtlichtbogenadditiv hergestelltem Inconel 718. Sci Rep 13, 4541 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-29026-9

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Eingegangen: 22. November 2022

Angenommen: 30. Januar 2023

Veröffentlicht: 20. März 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-29026-9

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