ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. На протяжении последнего десятилетия аддитивное производство, основанное на создании изделий по электронной модели путем добавления материала слой за слоем, активно внедряется в производственный цикл изготовления сложнопрофильных изделий. Однако до сих пор не разработаны стандарты для материалов, сформированных по данным технологиям. Инженеры и ученые стремятся достигнуть механических свойств аддитивно полученных материалов, соответствующих свойствам материалов, сформированных стандартными способами. Жаропрочные никелевые сплавы, упрочняемые по твердорастворному и дисперсионному механизму, являются незаменимыми материалами в производстве авиационных турбореактивных двигателей. Помимо высоких механических свойств, достигаемых комплексной термической обработкой, такие детали зачастую обладают сложным профилем. Комбинирование новых аддитивных технологий с жаропрочными материалами является перспективным направлением как в промышленности, так и в науке. Понимание фазовых процессов, происходящих в материале со сложным тепловым влиянием при послойном производстве, активно исследуется инженерами. Цель работы – изучить фазовый состав жаропрочного никелевого сплава, изготовленного высокоскоростным прямым лазерным выращиванием в различных зонах слоя, сопоставив с полученными результатами механических испытаний. Методы исследования. Структура изучена методами оптической микроскопии и РЭМ. Фазовый состав проанализирован с использованием РФА, ПЭМ. Результаты микротвердости и относительного удлинения получены при комнатной температуре. Результаты.  Показано, что в материале отсутствуют поры и трещины. Структура сплава представлена типичным для аддитивного производства направленным дендритным строением с наличием переходной зоны. В различных зонах термического влияния происходят закономерные морфологические изменения фазы Лавеса и фазовые перераспределения карбидных включений. В материале не выявлены основные упрочняющие γ′/γ″ с фазы, при этом идентифицирована δ-фаза на начальной стадии формирования. Значения микротвердости сплава находятся в нижнем допустимом пределе. При повышенном относительном удлинении, значения ?_в и ?_т остаются низкими для данного материала по сравнению со стандартными технологиями.

1. Sims Ch., Hagel W. The superalloys. – New York: Wiley, 1974. – 568 p.

2. Колачев Б.А., Елагин В.И. Ливанов В.А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. – М.: МИСИС, 1999. – 416 с. – ISBN 5-87623-027-8.

3. Richards N.L., Huang X., Chaturvedi M.C. Heat affected zone cracking in cast inconel 718 // Materials Characterization. – 1992. – Vol. 28, N 4. – P. 179–187. – DOI: 10.1016/1044-5803(92)90080-2.

4. A comparative study on fiber laser and CO₂ laser welding of Inconel 617 / W. Ren, F. Lu, R. Yang, X. Liu, Zh. Li // Materials & Design. – 2015. – Vol. 76. – P. 207–214. – DOI: 10.1016/j.matdes.2015.03.033.

5. Studies on the weldability, microstructure and mechanical properties of activated flux TIG weldments of Inconel 718 / K.D. Ramkumar, B.M. Kumar, M. Gokul Krishnan, S. Dev, A.J. Bhalodi, N. Arivazhagan, S. Narayanan // Materials Science and Engineering: A. – 2015. – Vol. 639. – P. 234–244. – DOI: 10.1016/j.msea.2015.05.004.

6. Microstructures and mechanical properties of Inconel 718 welds by CO2 laser welding / J.K. Hong, J.H. Park, N.K. Park, I.S. Eom, M.B. Kim, C.Y. Kang // Journal of Materials Processing Technology. – 2008. – Vol. 201, N 1–3. – P. 515–520. – DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2007.11.224.

7. The failure mechanism of 50% laser additive manufactured Inconel 718 and the deformation behavior of Laves phases during a tensile process / S. Sui, J. Chen, X.L. Ming, S.P. Zhang, X. Lin, W.D. Huang // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2017. – Vol. 91. – P. 2733–2740. – DOI: 10.1007/s00170-016-9901-9.

8. Precipitation behavior of Fe2Nb Laves phase on grain boundaries in austenitic heat resistant steels / S.W. Chen, C. Zhang, Z.X. Xia, H. Ishikawa, Z.G. Yang // Materials Science and Engineering: A. – 2014. – Vol. 616. – P. 183–188. – DOI: 10.1016/j.msea.2014.07.104.

9. Microstructure of carbides at grain boundaries in nickel based superalloys / X. Dong, X. Zhang, K. Du, Yi. Zhou // Journal of Materials Science & Technology. – 2012. – Vol. 28, N 11. – P. 1031–1038. – DOI: 10.1016/S1005-0302(12)60169-8.

10. On the crystallography and composition of topologically close-packed phases in ATI 718 Plus / R. Krakow, D.N. Johnstone, A.S. Eggeman, D. Hünert, M.C. Hardy, C.M.F. Rae, P.A. Midgley // Acta Materialia. – 2017. – Vol. 130. – P. 271–280. – DOI: 10.1016/j.actamat.2017.03.038.

11. Vishwakarma K.R., Richards N.L., Chaturvedi M.C. Microstructural analysis of fusion and heat affected zones in electron beam welded ALLVAC® 718PLUS™ superalloy // Materials Science and Engineering: A. – 2008. – Vol. 480, N 1–2. – P. 517–528. – DOI: 10.1016/j.msea.2007.08.002.

12. Microstructural evolution and mechanical properties of Inconel 718 superalloy thin wall fabricated by pulsed plasma arc additive manufacturing / K.Y. Wang, Yu. Liu, Zh. Sun, J. Lin, Ya. Lv, B. Xu // Journal of Alloys and Compounds. – 2020. – Vol. 819. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2019.152936.

13. Inconel 718 is a Gamma Prime strengthened alloy with excellent mechanical properties at elevated temperatures. – URL: https://www.hpalloy.com/Alloys/descriptions/INCONEL718.aspx (accessed: 13.08.2020).

14. High powder CO₂ and Nd-YAG laser welding of wrought Inconel 718 / S. Gobbi, L. Zhang, J. Norris, K.H. Richter, J.H. Loreau // Journal of Materials Science & Technology. – 1996. – Vol. 56, N 1–4. – P. 333–345. – DOI: 10.1016/0924-0136(95)01847-6.

15. Голиков И.Н., Масленков С.Б. Дендритная ликвация в сталях и сплавах. – М.: Металлургия, 1977. – 223 с.

16. Microstructure and tensile properties of Inconel 718 pulsed Nd-YAG laser welds / G.D.J. Ram, A.V. Reddy, K.P. Rao, G.M. Reddy, J.K.S. Sundar // Journal of Materials Science & Technology. – 2005. – Vol. 167. – P. 73–82. – DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2004.09.081.

17. Effect of preand post-weld heat treatment on metallurgical and tensile properties of Inconel 718 alloy butt joints welded using 4 kWNd: YAG laser / X. Cao, B. Rivaux, M. Jahazi, J., Cuddy A. Birur // Journal of Materials Science. – 2009. – Vol. 44, N 17. – P. 4557–4571. – DOI: 10.1007/s10853-009-3691-5.

18. Antonsson T., Frederiksson H. The effect of cooling rate on the solidification of Inconel 718 // Metallurgical and Materials Transactions B. – 2005. – Vol. 36. – P. 85–101. – DOI: 10.1007/s10853-009-3691-5.

19. Nie P., Ojo O.A., Li Z. Numerical modeling of microstructure evolution during laser additive manufacturing of a nickel-based superalloy // Acta Materialia. – 2014. – Vol. 77. – P. 85–95. – DOI: 10.1016/j.actamat.2014.05.039.

20. Microstructure and elevated temperature mechanical properties of IN718 alloy fabricated by laser metal deposition / Y. Zhang., L. Yang, W. Lu, D. Wei, T. Meng, Sh. Gao // Materials Science and Engineering: A. – 2020. – Vol. 771. – P. 138580. – DOI: 10.1016/j.msea.2019.138580.

21. Goods S.H., Brown L.M. Overview N 1: The nucleation of cavities by plastic deformation // Acta Metallurgica. – 1978. – Vol. 27. – P. 1–15. – DOI: 10.1016/0001-6160(79)90051-8.

22. Microstructural and texture development in direct laser fabricated IN718 / L.L. Parimi, G.A. Ravi, D. Clark, M.M. Attallah // Materials Characterization. – 2014. – Vol. 89. – P. 102–111. – DOI: 10.1016/j.matchar.2013.12.012.

23. The influence of Laves phases on the high-cycle fatigue behavior of laser additive manufactured Inconel 718 / Sh. Sui, J. Chen, E. Fan, H. Yang, X. Lin, W. Huang // Materials Science & Engineering A. – 2017. – Vol. 695. – P. 6–13. – DOI: 10.1016/j.msea.2017.03.098.

24. Lindley T.C., Oates G., Richards C.E. A critical of carbide cracking mechanisms in ferride/carbide aggregates // Acta Metallurgica. – 1979. – Vol. 18. – P. 1127–1136. – DOI: 10.1016/0001-6160(70)90103-3.

25. Sundararaman M., Mukhopadhyay P., Banerjee S. Carbide precipitation in nickel base superalloys 718 and 625 and their effect on mechanical properties // Superalloys 718, 625 and various derivatives. – Warrendale, PA, USA: The Minerals, Metals and Materials Society, 1997. – P. 367–378.

26. Microstructures and stress rupture properties of pulse laser repaired Inconel 718 superalloy after different heat treatments / Sh. Sui, J. Chen, L. Ma, W. Fan, H. Tan, F. Liu, X. Lin // Journal of Alloys and Compounds. – 2019. – Vol. 770. – P. 125–135. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2018.08.063.

27. Sivaprasad K., Raman S.G.S. Influence of magnetic arc oscillation and current pulsing on fatigue behavior of alloy 718 TIG weldments // Materials Science and Engineering: A. – 2007. – Vol. 448 B. – P. 120–127. – DOI: 10.1016/j.msea.2006.10.048.

28. Qi H., Azer M., Ritter A. Studies of standard heat treatment effects on microstructure and mechanical properties of laser net shape manufactured INCONEL 718 // The Minerals, Metals & Materials Society and ASM International. – 2009. – Vol. 40 A. – P. 2410–2422. – DOI: 10.1007/s11661-009-9949-3.

29. Effect of standard heat treatment on the microstructure and mechanical properties of hot isostatically pressed superalloy Inconel 718 / G.A. Rao, M. Kumar, M. Srinivas, D.S. Sarma // Materials Science and Engineering A. – 2003. – Vol. 355. – P. 114–125. – DOI: 10.1016/S0921-5093(03)00079-0.

30. Qi H., Azer M., Ritter A. Studies of standard heat treatment effects on microstructure and mechanical properties of laser net shape manufactured INCONEL 718 // The Minerals, Metals & Materials Society and ASM International. – 2009. – Vol. 40 A. – P. 2410–2422. – DOI: 10.1007/s11661-009-9949-3.