引文格式:
Ghorpade A, Prakash U, Joshi S. Effect of heat treatments on strengthening mechanisms in electron beam melted superalloy Inconel 718[J]. Materials Science and Engineering: A, 2024, 895: 146232.
Ghorpade, Ajinkya, Ujjwal Prakash, and Shrikant Joshi. "Effect of heat treatments on strengthening mechanisms in electron beam melted superalloy Inconel 718." Materials Science and Engineering:A 895 (2024): 146232.
Ghorpade, A., Prakash, U., & Joshi, S. (2024). Effect of heat treatments on strengthening mechanisms in electron beam melted superalloy Inconel 718. Materials Science and Engineering:A, 895, 146232.
背景简介
镍基高温合金IN718的高强度来源于固溶强化、沉淀强化和加工硬化,在高温下具有优异的机械性能以及良好的耐腐蚀性,已广泛应用于飞机发动机燃气轮机、发电厂和核反应堆。Cr、Fe、Mo和Nb有利于固溶强化,而Nb、Al和Ti有利于沉淀强化。γ′ [Ni3(Al、Ti、Nb)]和γ"(Ni3Nb)是高温合金IN718中常见的沉淀物,其中γ"是主要强化相。电子束熔融(EBM)是一种增材制造方法,可以有效地逐层制造近净形状,从而能够生产复杂的形状。然而,EBM样品可能含有一些孔隙率,这些孔隙率会降低疲劳和应力断裂寿命。目前,可以使用热等静压(HIP)去除样品中存在的孔隙率。另外,目前推荐用于通过高温合金IN718采用的热处理包括1小时固溶处理(ST)和18-20小时的两步老化。增材制造合金具有与铸造和锻造零件不同的微观结构。因此,对AM合金使用与铸造和锻造合金相同的热处理可能并不理想。在本研究中,对EBM IN718进行了两种不同的热处理,通过对比不同热处理之后材料微观结构的差异,随后讨论了各种强化机制对EBM IN718整体屈服强度的贡献。
成果介绍
(1)图1展示了本文中不同热处理方式的示意图。其中组合式HIP循环的热处理过程可以在一个热等静压机中完成,且相比HIP+STA时间少了接近11h。对打印态以及不同热处理后的样品进行了微观表征,打印态样品中具有0.47±0.3%的缺陷,但在两种热处理之后,材料的缺陷有效的闭合了,且观察到圆盘状的γ′和球状的γ"沉淀物均匀分布(图2)。样品的IPF和Schmid因子图如图3所示,材料的强<100>织构没有发生明显变化。通过线性截距法计算晶粒尺寸,得到打印态、组合式HIP循环、HIP+STA样品的有效晶粒尺寸为41.34±4.43 μm、46.17±2.88 μm、41.74±5.29 μm,相应的Schmid因子为0.4629、0.4660和0.4652。利用图4所示的XRD曲线,使用残差法计算了γ′/γ和γ"/γ界面的晶格参数、体积分数和晶格失配。利用更细观的TEM表征计算得到打印态、组合式HIP循环、HIP+STA样品中γ"沉淀相的平均直径分别为22.17、22.47和25.16nm,γ′相的平均尺寸分别为17.81、18.67和24.25nm。可见,在不同的热处理之后,718的微观结构发生了改变。
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图1 (a)组合式HIP循环和(b)HIP+STA热处理示意图
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图2 (a)打印态,(b)组合式HIP循环和(c)HIP+STA的扫描电镜照片,(d-f)为相应的析出相分布
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图3 打印态、组合式HIP循环样品和HIP+STA样品的IPF图谱(a-c)和Schmid因子图谱(d-f)
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图4 打印态、组合式HIP循环和HIP+STA的样品的XRD曲线
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图5 (a)打印态,(b)组合HIP循环和(c)HIP+STA样品的透射明场图像,(d),(e),(f)为相应的SAED图案,(g),(h),(i)为用环斑获得的暗场图像
表1 718中两种相的体积分数(f)、晶格常数(a和c)和晶格错配度(δ)
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(2)对718三种条件下的各种强化机制进行了分析,计算方法如式1所示,主要的屈服强度来源是内在强度(σ0)以及固溶强化(∆σss)、晶界强化(∆σD)、位错强化(∆σb)和沉淀强化(∆σp),相应的强化计算公式由式(2-7)给出。如图7所示,将最终的理论计算值和实验得到的强度与理论计算相比,热处理之后样品的强度偏差较小,打印态较大的强度偏差可能是因为材料内部的缺陷。根据所测的强度数值,本文推荐了组合式的HIP循环热处理,在不影响机械性能的情况下将时效时间从16h减少到5h。
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图7 屈服强度实验值与理论值的比较
致谢
这项工作得到了印度SERB的支持。本文第一作者:Ajinkya Ghorpade(Metallurgical and Materials Engineering Department, Indian Institute of Technology (IIT) Roorkee);通讯作者:Ujjwal Prakash(Metallurgical and Materials Engineering Department, Indian Institute of Technology (IIT) Roorkee)。
本期小编:潘宇杰(整理)
姚辰霖(校对)
王康康(审核)
王永杰(发布)
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