Stampabilità e microstruttura dell'SS316l depositato con energia diretta

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 16600 (2022) Citare questo articolo

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Nel presente articolo, gli aspetti correlati della produzione additiva, della microstruttura e delle proprietà nella deposizione energetica diretta del multimateriale SS316L-IN718 sono stati studiati attraverso la modellazione numerica e la valutazione sperimentale. A questo scopo sono stati utilizzati il ​​concetto di stampabilità e i principi di solidificazione. L'analisi di stampabilità ha mostrato che la sezione SS316L è più suscettibile al cambiamento di composizione e alla mancanza di fusione, rispettivamente a causa dell'elevata pressione di vapore di equilibrio del manganese e della più efficiente perdita di calore negli strati iniziali. Tuttavia, la sezione IN718 è più soggetta a distorsioni dovute alla formazione di un pool di fusione più ampio, con una deformazione termica massima di 3,95 × 10−3 nell’ultimo strato. Man mano che il processo continua, a causa dell'accumulo di calore e dell'estensione del bagno di fusione, la velocità di raffreddamento diminuisce e il livello di sottoraffreddamento aumenta, il che si traduce rispettivamente in una microstruttura più grossolana e una maggiore instabilità del fronte di solidificazione nella direzione di costruzione, come osservato anche nei risultati sperimentali. . La differenza è che la microstruttura dendritica della sezione IN718, a causa della reazione eutettica L → γ + Laves, si forma su scala minore rispetto alla microstruttura cellulare della sezione SS316L. Inoltre, la diminuzione della velocità di raffreddamento ha causato un aumento quasi lineare della frazione di fase secondaria in ciascuna sezione (ferrite delta in SS316L e Laves in IN718). Tuttavia, il calcolo e la misurazione della durezza hanno mostrato risultati simili, anche se con il passaggio da SS316L a IN718 la durezza è aumentata significativamente a causa del maggiore carico di snervamento della matrice e della presenza della fase intermetallica di Laves (~ 260 HV0,3), la durezza in ogni sezione diminuisce leggermente per l'ingrossamento della microstruttura dallo strato iniziale a quello finale.

Al giorno d'oggi, molte strutture ingegneristiche sono costituite da più materiali. Questo perché difficilmente è possibile soddisfare diversi requisiti di servizio e prestazioni con un unico materiale. Pertanto, è spesso necessario utilizzare insieme materiali diversi. Ciò ha portato alla generalizzazione del concetto di “strutture multimateriali” nelle scienze ingegneristiche. Pertanto, il ruolo delle strutture multimateriali è stato dimostrato e in passato sono stati condotti numerosi studi su di esse. Tuttavia, l’evoluzione della moderna tecnologia di produzione additiva (AM), con vantaggi distinti come la capacità di produrre parti complesse integrate con forma quasi netta in un unico passaggio, l’economicità per la produzione su piccola scala e la personalizzazione di alto livello, ha eliminato molti dei limiti dei metodi di produzione convenzionali e ha aperto nuove dimensioni allo sviluppo e alla ricerca di multimateriali1,2. Dal sottoinsieme dei processi di produzione additiva in metallo, settore ad oggi in più rapida crescita3, la deposizione diretta di energia (DED) e la fusione a letto di polvere (PBF) sono entrambi di interesse nella fabbricazione di multi-materiali. Tuttavia, il DED è diventato più popolare grazie alla sua maggiore flessibilità nel modificare la composizione chimica durante la lavorazione4. Secondo gli studi condotti finora, i multimateriali metallici lavorati mediante DED possono essere classificati in base al tipo di lega (principalmente leghe di Ti, Fe e Ni) e alla strategia di costruzione (materiali bimetallici, funzionalmente classificati e ibridi)5.

I multimateriali acciai inossidabili/superleghe a base di nichel sono tra le combinazioni più utilizzate nei settori energetici critici grazie al loro equilibrio costi-prestazioni adattato ai requisiti di servizio6. Pertanto, data questa problematica e le caratteristiche intrinseche dell’AM, alcune delle quali sono state menzionate sopra, negli ultimi anni sono stati condotti vari studi di ricerca sulla produzione additiva di questo tipo di multimateriale. Lin et al.7,8 hanno studiato l'evoluzione della microstruttura e la formazione di fase nella formatura rapida laser (LRF) di materiale classificato SS316L/Rene88DT. Shah et al.9 hanno studiato l'effetto dei parametri di deposizione diretta di metalli tramite laser (LDMD) sullo sviluppo della struttura graduata SS316L/IN718. Savitha et al.10 in uno studio sulla produzione additiva di materiali duali SS316/IN625 hanno osservato che il limite di snervamento è sempre paragonabile al componente più debole (SS316), mentre Zhang et al.11 in uno studio simile hanno ottenuto il limite di snervamento e il carico di rottura di campioni di gradiente vicini rispettivamente a IN625 e SS316L. Carroll et al.12 nel determinare la causa della fessurazione in una struttura graduata fabbricata da SS304L e IN625 mediante DED, hanno dimostrato il ruolo dei monocarburi metallici sotto forma di (Mo, Nb)C utilizzando la modellazione termodinamica mediante CALculation of PHAse Diagrams (CALPHAD) metodo. Su et al.13 hanno studiato l'effetto di varie composizioni di gradienti nella produzione additiva laser di materiale SS316L/IN718 classificato funzionalmente. Hanno riferito che la migliore combinazione di proprietà meccaniche (resistenza alla trazione di 527,05 MPa e allungamento del 26,21%) è stata ottenuta con una fase di modifica della composizione del 10%. In un altro studio, Kim et al.14 hanno osservato che la formazione di difetti (pori e cricche) avviene in determinati intervalli di composizione chimica della struttura SS316L/IN718 interessata da ossidi ceramici e la loro successiva propagazione nella direzione dei composti intermetallici e dei carburi. Inoltre, gli stress termici e residui concentrati ai bordi dei grani hanno esacerbato la formazione di questi difetti.