Studi meccanici, microstrutturali e di frattura su inconel 825

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 5321 (2023) Citare questo articolo

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Questo documento presenta un nuovo metodo che utilizza il processo di produzione additiva ad arco di filo basato sul trasferimento di metallo freddo per fabbricare pareti Inconel 825-SS316L a classificazione funzionale. La micrografia ottica di Inconel 825 mostra strutture dendritiche continue e discontinue. La regione SS316L comprende il 5% di δ-ferrite nei dendriti primari austenitici (γ), confermato dal rapporto Creq/Nieq di 1,305. L'interfaccia funzionalmente graduata rivela una zona parzialmente mista con una transizione dai dendriti allungati ai dendriti fini equiassici. Le proprietà di trazione della parete fabbricata sono state determinate a temperatura ambiente utilizzando campioni estratti da Inconel 825, SS316L e dalle regioni di interfaccia. La morfologia dei provini sottoposti a prova di trazione ha rivelato una significativa deformazione plastica, indicante una rottura duttile. La resistenza alla frattura della parete è stata studiata sperimentalmente utilizzando il test CTOD (Crack Tip Opening Displacement). La morfologia della frattura mostra una modalità di frattura duttile con striature perpendicolari alla direzione di sviluppo della fessura. La mappatura degli elementi ha rivelato che non c'erano prove di segregazione elementare sulle superfici fratturate e che gli elementi erano uniformemente dispersi. Il CTOD misura 0,853 mm, 0,873 mm rispettivamente sul lato Inconel 825 e sul lato SS316L. I risultati dei test confermano che entrambi i lati Inconel 825 e SS316L hanno una buona tenacità alla frattura.

Nel corso della storia, la capacità di comprendere e manipolare i materiali è stata fondamentale per il progresso della tecnologia. Gli scienziati e gli ingegneri di oggi comprendono il valore dei nuovi materiali in termini economici e ambientali. I materiali funzionalmente classificati (FGM) sono zone sofisticate ed estremamente funzionali in una parte che mostrano un cambiamento costante nella composizione elementare, con conseguente proprietà meccaniche o termiche nuove e personalizzate1. La capacità di sviluppare materiali con proprietà migliorate adatte a una varietà di applicazioni, tra cui l’ingegneria aerospaziale, marina, nucleare e i rivestimenti protettivi per le alte temperature, ha aumentato significativamente l’attenzione sulle MGF2. Le dimensioni e le caratteristiche strutturali sono due fattori che possono essere utilizzati per classificare i materiali gradienti. I gradienti possono essere voluminosi o di sezione sottile (come i rivestimenti superficiali), che richiedono tecniche di lavorazione distinte. Si dividono in due gruppi: continui e discontinui, a seconda della struttura. Nei materiali con gradienti discontinui, la microstruttura o composizione chimica varia gradualmente e l'interfaccia è tipicamente percepibile e osservabile. Al contrario, nei materiali con gradienti continui, la composizione chimica o la microstruttura si altera continuamente con la posizione, rendendo quasi impossibile percepire un confine distinto come interfaccia attraverso la struttura graduata3.

Recentemente, molti ricercatori si sono concentrati sulle MGF basate sui metalli. Sobczak et al.4 hanno discusso i processi di produzione fondamentali per le MGF a base di metalli. Domack et al.5 hanno utilizzato tre distinte tecniche di fabbricazione per creare FGM Inconel 718-Ti–6Al–4V. È stato riferito che i campioni di deposizione diretta di metalli tramite laser mostravano una notevole segregazione elementare e microstrutture dendritiche grossolane. Utilizzando la saldatura a trasferimento di metallo a freddo, Tian et al.6, hanno esaminato il comportamento meccanico e microstrutturale di leghe diverse Ti–6Al–4 V e AlSi5 e hanno riscontrato una crepa nello strato di interfaccia. Ha avuto origine nello strato di interfaccia e si è esteso al lato Al a causa della differenza nel ritiro della lega tra Al e Ti. Niendorf et al.7 hanno riferito che la fusione laser selettiva (SLM) viene utilizzata per realizzare parti in acciaio inossidabile con una varietà di funzionalità locali. Hanno scoperto che un forte gradiente microstrutturale porta a proprietà meccaniche locali distinte. È stato dimostrato che la deposizione diretta di energia potrebbe essere utilizzata per fabbricare FGM da Inconel 625 e SS304L e che le caratteristiche e i modelli termodinamici di questi materiali sono stati studiati da Carroll et al.8. Le leghe di Inconel sono difficili da lavorare perché tendono a indurirsi durante la lavorazione e ad aderire agli utensili da taglio9,10. Inconel825 e SS316L erano materiali austenitici con un alto contenuto di cromo, che fornisce un'eccellente resistenza alla corrosione ad alta temperatura11. Durante la saldatura per fusione di questi due materiali possono verificarsi cricche da solidificazione. Il processo WAAM basato sul trasferimento di metalli a freddo (CMT) può essere utilizzato per evitare questo problema12. Il processo CMT è un processo di saldatura ad arco gas-metallo modificato sviluppato nel 2004 da Fronius International, Austria. Come suggerisce il nome, il WAAM basato su CMT è un processo in cui il metallo fuso viene trasferito con un apporto di calore molto ridotto per fabbricare la parete. Il sistema di automazione intelligente e una testa di saldatura con controller incorporato allontanano il materiale di riempimento dal bagno di fusione quando entra in contatto, trasferendo meccanicamente il metallo fuso e riducendo così la quantità di calore coinvolta. Inoltre, per aumentare la velocità di raffreddamento, sotto il supporto del substrato sono installate alette in alluminio e ventilatori. Ciò migliora la qualità delle parti stampate. Inoltre, il processo WAAM basato su CMT fornisce un arco costante, una migliore stabilità del processo e una diluizione limitata13. Pertanto, il WAAM basato su CMT è un processo di produzione additiva altamente specializzato con un enorme potenziale per la produzione di massa grazie al suo tasso di deposizione più elevato, che consente una fabbricazione più rapida rispetto a qualsiasi altro processo di produzione additiva.