增材制造鎳基718合金各向異性延性的新見解

來源： 多尺度力學(xué)

增材制造（AM）合金的各向異性延性，即沿建筑方向（BD）的更好的延性已經(jīng)被廣泛的研究，傳統(tǒng)上歸因于晶體結(jié)構(gòu)。然而，最近的研究表明，弱的或非織構(gòu)的AM合金具有顯著的延性各向異性，這表明其他因素也可能發(fā)揮關(guān)鍵作用。為了探索這一點(diǎn)，來自西安交通大學(xué)的Luqing Cui等選擇了弱織構(gòu)的AM Inconel 718作為模型材料，并采用原位高能x射線衍射試驗(yàn)和多尺度微觀結(jié)構(gòu)表征技術(shù)，探索其變形微觀機(jī)理。研究結(jié)果首次揭示了AM合金的延性差異部分歸因于塑性變形過程中{220}晶粒中微孔的關(guān)閉。此外，δ相的排列和晶界取向也被發(fā)現(xiàn)對各向異性延性有顯著影響。

首先作者對材料進(jìn)行了微觀結(jié)構(gòu)表征，得到如圖1所示的圖。可見目前的SLM IN718具有非均勻的晶粒結(jié)構(gòu)。如圖1(a)所示，在X-Y平面上，晶粒呈等軸形貌，而在BD-Y平面上，晶粒大部分呈伸長狀，并偏向于BD。另外作者利用EBSD技術(shù)研究了晶體織構(gòu)（如圖1（c）），發(fā)現(xiàn)材料呈現(xiàn)弱織構(gòu)。隨后作者進(jìn)行了力學(xué)試驗(yàn)得到如圖2所示結(jié)果。圖2清楚地表明，與水平樣品相比，垂直樣品的斷裂伸長率增加了近50%，從12.04%上升到17.92%，速率為1.488。從以上結(jié)果中可以看出雖然目前的SLM IN718表現(xiàn)出較弱的紋理，但在垂直和水平樣品之間的差異比較顯著，前者顯示出相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度，但顯著更高的總延性。這一結(jié)果說明除了織構(gòu)外，其他因素也可能對AM合金的各向異性延性產(chǎn)生重大影響。作者使用ISODEC軟件計(jì)算了垂直樣品和水平樣品中不同晶格平面下的彈性模量，發(fā)現(xiàn)同一個晶格平面下垂直樣品和水平樣品的彈性模量差異比較大。為了探究塑性變形過程中微裂解機(jī)理與各向異性延性的關(guān)系

作者對水平樣品進(jìn)行了EBSD處理得到拉伸變形前后水平樣品的晶界分布和相應(yīng)的GND密度圖（圖3）。水平樣品變形前后如圖3(a)和3(b)的晶界分布，說明雖然變形時晶內(nèi)位錯密度也有所增加，但沿晶界形成的應(yīng)力集中更明顯。

對所選晶粒的微應(yīng)力三軸性和應(yīng)力狀態(tài)分析表明，目前SLM IN718高溫合金的臨界TF值在0.3~0.4之間。由于觀察到優(yōu)先取向，{220}粒對延性的有利影響超過了{(lán)200}和{311}粒的不利影響，從而使兩個樣品的失效伸長率超過12%。垂直樣品中{220}顆粒的負(fù)TF可能導(dǎo)致微孔的收縮甚至愈合，這是各向異性延性的一個貢獻(xiàn)因素；結(jié)合多相微觀結(jié)構(gòu)中微裂紋行為的潛在機(jī)理和橢圓晶粒結(jié)構(gòu)中δ相的應(yīng)力分析，發(fā)現(xiàn)垂直載荷作用下容易開裂的橢圓表面積比隨著縱橫比的增大，逐漸降低，說明δ相空間排列（或晶粒形態(tài)）也對AM合金的各向異性延性有顯著影響；δ相和γ基質(zhì)之間的解聚是兩種樣品形成微裂紋的主要機(jī)制。由于目前SLM IN718的特征晶界取向（或細(xì)長晶粒結(jié)構(gòu)），垂直樣品在加載方向上的相鄰δ相間距較大，這對各向異性延性起部分作用。

圖1 SLM IN718經(jīng)過多步熱處理后的典型多尺度微觀結(jié)構(gòu)。(a)和(b)反極圖（IPF）著色圖，分別顯示了X-Y和BD-Y平面上的晶粒形態(tài)。配色方案是基于BD的；(c)中ipf來源于（a）；(d)和(e)δ相分別在X-Y平面和BD-Y平面上的分布；(f)和(g)[001]定向暗場透射電鏡顯微圖及其相應(yīng)的選擇區(qū)域電子衍射（SAED）模式，說明了γ‘和γ沉淀在γ基質(zhì)中的分布。

圖2 (a)水平和垂直樣品的真應(yīng)力-應(yīng)變曲線和(b) 水平和垂直樣品延性。(c)和(d)分別是水平和垂直樣品的真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線和真應(yīng)變硬化曲線。

圖3.（a1）-（a2）和（b1）-（b2）水平樣品在拉伸變形前后的EBSD晶界分布及相應(yīng)的GND密度圖

相關(guān)研究成果以“New insights into the anisotropic ductility of additively manufactured Inconel 718”為題發(fā)表在International Journal of Plasticity上（VOL. 169, August 2023, 103738）論文第一作者Luqing Cui，通訊作者是Shuang Jiang和Weifeng He。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2023.103738