GH3536合金の化学組成と熱処理工程
GH3536合金は、主にクロムとモリブデンで固溶強化されたニッケル基高温合金です（対応ブランドはハステロイX）。 耐酸化性、耐食性に優れ、適度な耐久性と900℃でのクリープ強度も備えています。 、テールコーン、ボルテックス排気管、燃焼ノズルハウジングなど、高温使用構造のホットエンドコンポーネントの製造に適しています。 しかし、そのような部品の形状は複雑であり、内部に流路や多孔質構造が存在することが多い。 従来のプロセスはほとんどが複数の溶接で構成されており、寸法精度を確保することが難しいだけでなく、ガス流の安定性にも影響を与えます。 精密鍛造でも製造業のニーズに応えるのは難しい。 選択的レーザー溶解（SLM）は、レーザーを熱源として使用し、金属粉末層を点ごとに溶かし、線ごとに重ね合わせ、層ごとに固化および蓄積することで、高度に複雑な部品の一体化を実現する技術です。 「ニアネットシェイプ」技術は、GH3536 合金部品の加工を制限するボトルネック問題を解決しました。 しかし、合金粉末は SLM 成形プロセス中の特定の非常に短い相互作用時間内に溶融、凝固、冷却を完了する必要があるため、局所的な入熱によって引き起こされる非常に高い温度勾配と凝固プロセス中に発生する大きな残留応力により、合金の構造上の欠陥。 食材との分別。 したがって、選択的レーザー溶融成形部品は通常、合金の内部欠陥を修復し、微細構造の組成と構造を調整し、合金の機械的特性を改善するために後熱処理を必要とします。
実験材料の選択
この実験では、エアロゾル化された球状 GH3536 合金粉末を SLM 蒸着の原料として使用します。 合金粉末の化学組成は下図に示されており、GB/T14992-2005 の GH3536 高温合金の組成要件を満たしています。
結果の分析
(1) 異なる熱処理状態における GH3536 合金の室温引張特性
異なる方向に作製したSLM試験片、ST試験片、HIP試験片について室温引張試験を実施し、工業規格HB5497-1992と比較しました。 室温での 3 つの試験片の横方向/縦方向の引張強さと降伏強さはすべて鍛造規格の要件を超えていますが、伸びが異なります。 SLM 試験片の横方向の引張強さは 769 MPa であり、縦方向の引張強さより 58 MPa 高くなります。 横方向の降伏強度は 465 MPa であり、縦方向の降伏強度より 44 MPa 高くなります。 縦方向の伸びは 27.81% で、横方向の伸びより 7.21% 高くなります。 つまり、室温における SLM 試験片の引張特性には異方性があります。 周知のとおり、合金の引張特性は、材料固有の特性の影響を受けるだけでなく、微細構造にも関係します。 SLM で形成されたサンプルの場合、溶融池境界の影響を考慮する必要があります。 SLM サンプルの微細構造は、「溶融池境界-超微細柱状サブグレイン」の千鳥状分布組成とみなすことができます。 一般に、粒子が小さいほど、引張強度が高くなり、可塑性が向上します。 溶融池の境界に囲まれた領域は、均一に分布した細長い柱状微結晶で構成されており、SLM サンプルの高い強度と良好な可塑性が確保されています。 ただし、空間的に分布した溶融池の境界は、SLM サンプルの可塑性に大きな影響を与えます。 溶融池境界自体の結合性能は粒界に比べて弱く、溶融池オーバーラップ領域では溶融池境界に局所的な「粗粒領域」が存在するため、溶融池境界は結合強度の弱い領域となる。標本、見本。 SLM 試験片が塑性変形を受けると、溶融池の境界に沿って優先的に滑ります。 試料の縦断面の単位面積あたりの溶融池境界の数（長さ）は横断面のそれよりもはるかに多く、これはSLMサンプルを縦方向に沿って引き伸ばすと塑性変形が進行しやすいことを意味します。そのため、より巨視的な特性が示されます。 伸びに優れますが、引張強度は幅方向に比べて若干劣ります。
ST 試験片の幅方向の引張強さおよび降伏強さはそれぞれ 695 MPa および 382 MPa であり、伸びは 31.13% です。 長手方向に沿った機械的特性は横方向の機械的特性と本質的に同じであり、これは横方向／縦方向の微細構造が類似しているという観察と一致する。 溶融池境界の除去は、ST 試験片の引張特性の異方性が消失する主な理由です。 固溶体処理により、堆積したサンプルの気孔や亀裂などの欠陥が除去され、高温処理により組織内のオーステナイト量の増加が促進され、その結果、ST サンプルの伸びが横方向のサンプルに比べて大幅に増加します。 SLM サンプルの伸び。 10.53%の増加。 しかし、固溶体処理を行うと高温で合金粒子が再結晶化して成長し、引張破壊強度と降伏強度が大幅に低下します。 HIP 試験片の室温引張機械的挙動は ST 試験片と同様ですが、横方向/縦方向の引張強さは約 728 MPa、降伏強さは 429 MPa です。 引張強さは SLM 試験片の横方向の引張強さより約 41 MPa 低いですが、縦方向の引張強さよりは 11 MPa 高いです。 伸び率は 38.65% に達し、ST サンプルより 7.52% 高く、SLM サンプルの縦方向伸び率より 38.9% 高くなります。 HIP サンプルの強度は ST サンプルのように大幅には低下しませんでしたが、これは主に合金の内部欠陥の除去と粒界形態の変化によるものです。
一方で、熱間静水圧プレス後のサンプルの密度は ST サンプルの密度よりも高くなります。 一方、HIP サンプルの粒界に析出した鎖状 M23C6 は、変形プロセス中の転位の動きを効果的に妨げ、合金の強度を向上させます。 粒界炭化物は脆性相であり、引張プロセス中に容易に亀裂の原因となる可能性がありますが、それらによって形成されるジグザグに湾曲した粒界は亀裂の発生と拡大を妨げます。 これは、ギザギザの湾曲した粒界が不均一であり、隣接する粒子の結晶面間に連動効果を引き起こすためです。 変形過程で粒界同士が滑りにくくなり、強度の高い粒内部分が変形に関与することになり、粒界で応力緩和が起こり、亀裂の発生が妨げられます。 研究によると、亀裂の伝播プロセス中に、ギザギザの粒界によって亀裂と粒子界面の間の角度が初期の入射角から逸脱し、界面に沿った亀裂の伝播経路がより複雑で険しいものになる可能性があることがわかっています。 これは、ギザギザの湾曲した結晶粒界により、亀裂が結晶粒界面に沿って伝播するのではなく、結晶粒界面を通って伝播しやすくなり、それによって合金が効果的に強化されることを意味します。
(2) 異なる熱処理状態における GH3536 合金の室温引張破壊形態の解析
3 つのサンプルの破壊機構はいずれも微細孔が集合した延性破壊であり、破断面に沿って楕円形の等軸ディンプルが分布していますが、ディンプルの大きさと深さが異なります。 その中でも、SLM サンプルのディンプル構造は非常に小さく、平均直径はわずか約 0.5 μm で、深さは浅いです。 摩耗した溶融池境界亀裂も観察でき、溶融池のガウス円弧面がはっきりと見え、亀裂が溶融池境界に沿って発生し、拡大していることがわかります。 これは、溶融池の境界が組織力学の重要な要素であることを別の観点から証明するものでもあります。 パフォーマンスの弱い領域。 横方向 SLM 試験片の塑性変形プロセス中に、局所的な応力集中により原子の結合力が破壊され、細孔が形成されます。 変形が続くと、この微細孔が成長して互いにつながり、亀裂が形成されます。 少量の小さなディンプルの存在は、ここでのサンプルの破壊が SLM 成形プロセス中に形成された微小亀裂の拡大によるものであることを示しており、これは変形プロセス中の塑性変形への関与が少なく、したがって SLM サンプルの高さが低くなります。横方向に。 伸長。
ST サンプルの破面におけるディンプルのサイズは {{0}}.8-1.0 μm であり、均一に分布しており、粒内ディンプル型の破壊特性を示しており、この合金が伸びが良い。 熱間静水圧プレス処理後、HIP サンプルの破面のディンプルの数は大幅に増加し、サイズも約 2 μm に増加しました。 SLM 試験片と比較して、ジグザグに湾曲した粒界の存在により、周囲のマトリックスの滑りシステムの活性化が促進され、粒界での応力集中が軽減され、塑性変形の均一な分布が促進されます。 したがって、HIP 試験片は最高の室温引張強度を示します。 この性能は、前述の引張試験結果と一致しています。 引張材料が良好な塑性を備えている場合、異なる配向をもつ粒子間の結合力が大きくなり、複数の交差する滑り面に沿って粒子が同時に滑った後に転位が形成されます。 これは、HIP サンプルが優れた塑性変形能力を持っていることを側面から反映しています。
結論は
(1) 選択的レーザー溶解によって形成された GH3536 合金堆積サンプルの微細構造は、主に溶融池境界と超微細柱状サブグレインで構成されています。 溶融池は堆積方向に沿って鱗状の分布を示しており、レーザー走査方向の帯状の分布とは明らかに異なります。 内部には少数の細孔と無秩序な微小亀裂があります。
(2) SLM サンプルを固溶体処理および熱間静水圧プレスで処理した後、合金サンプルの溶融池境界形態は消失しました。 ST の密度は SLM サンプルの密度より 3.9% 高く、微細構造は、交互に分布したさまざまなサイズの等軸粒子で構成されており、第 2 相の析出はありません。 HIP サンプルの微細構造は ST サンプルの微細構造と類似しており、密度は 94.1% です。
(3) 3 つの試験片の破壊はいずれも典型的なディンプル型破壊でした。 SLM 試験片の引張特性は異方性であり、これは堆積プロセス中に形成される溶融池境界の横方向/縦方向の分布の違いによって引き起こされます。 ST 試験片の引張強さと降伏強さは低下しましたが、伸びは 31.13% に増加しました。 引張強さと降伏強さの低下は少なく、伸びは 38.65% に達しました。これは、HIP プロセス中に形成された湾曲した粒界に関連しています。
