Как параметры EBSM влияют на микроструктуру титана и его усталостную прочность

При селективном электронно-лучевом плавлении (EBSM) энергия пучка и скорость сканирования изменяют ванну расплава и скорость охлаждения, определяя мартенсит, пластинчатые фазы и твердость Ti-6Al-4V. На усталостное поведение также влияют ориентация построения, пористость и последующая обработка. Приведенные ниже исследования связывают эти параметры процесса с микроструктурой и механическим откликом.

Влияние технологических параметров на микроструктуру титана

В одном из исследований использовался полученный методом газовой атомизации предварительно легированный порошок Ti-6Al-4V с размером частиц 74–147 мкм. Благодаря S-образной траектории сканирования и толщине слоя 0,1 мм были получены образцы размером 20 мм × 20 мм × 8 мм на пластине из нержавеющей стали марки 316L толщиной 10 мм. Предварительный нагрев улучшил стойкость порошка к воздействию электронного пучка и снизил выброс порошка и образование брызг. Пластина предварительно нагревалась в течение 6 минут при скорости 10 м/с и силе тока 20 мА. Для предварительного нагрева порошка использовалось 20 проходов со скоростью 5 м/с при увеличении силы тока пучка от 1 до 20 мА.

При селективном плавлении электронным пучком материал наносится слой за слоем. Лавура достигает высокой температуры и быстро остывает, в то время как ранее затвердевший материал подвергается многократному повторному нагреву. Быстрое охлаждение приводит к превращению β-фазы в метастабильный мелкоигольчатый α’—мартенсит. Затем под воздействием термоциклирования часть мартенсита распадается на тонкий и крупный ламеллярный α+β. Рентгеновская дифракция показывает четкий пик β, подтверждающий распад мартенсита. Конечная структура содержит мелкоигольчатый мартенсит, тонкий ламеллярный α и крупный коротколамеллярный α.

1. Начальное затвердевание: жидкость → β.
2. Быстрое охлаждение при температуре фазового перехода: β → α’.
3. Повторный нагрев при нанесении последующих слоев: α’ → α+β.

Плотность энергии P/v оказывает сильное влияние на мартенситную зону и тонкослойный ламеллярный α. Более высокая энергия приводит к образованию более глубокого и широкого бассейна, более высокой мартенситной зоны и более крупных столбчатых зерен приор-β. Мелкозернистый мартенсит интенсивно распадается при температуре выше 300 °C. Более высокая энергия при повторном нагреве способствует превращению в структуры Видманштеттена и «корзинообразные» структуры, а также укрупнению ламеллярного α. При одинаковой плотности энергии более высокая скорость сканирования увеличивает скорость охлаждения и высоту мартенситной зоны.

• При значениях P/v, равных 0,24, 0,48, 0,72 и 0,3, 0,6, 0,9 ширина пластин α’ составляла 0,1–1 мкм, толщина сохранившегося β между пластинами составляла около 20 нм, а высота мартенситной зоны — 7–10 слоев. Колонны «приор-β» имели ширину 10–100 мкм. Ламеллярный α имел ширину 1–2 мкм и образовывал колонии различной ориентации, а также непрерывные выделения на границах зерен, характерные для структуры Видманштеттена.
• При значениях P/v, равных 0,48, 0,96, 1,44 и 0,6, 1,2, 2,4, мартенситная зона увеличилась до 22–25 слоёв. Колонны Prior-β имели ширину 100–400 мкм и пересекали весь осаждённый слой. Ламеллярный α-фаза укрупнилась до 2–4 мкм, при этом сосуществовали структуры Видманштеттена и «корзиноплетение».

Ориентация построения

В другом исследовании с использованием принтера Arcam Q10 был задействован сферический порошок Ti-6Al-4V размером 25–100 мкм, полученный методом газовой атомизации, для печати пластин размером 60 мм × 60 мм × 7 мм под углами 90°, 60°, 30° и 0° к горизонтальной плоскости.

При углах 90°, 60° и 30° мелкий игольчатый α’ осаждался по обеим сторонам границ столбцов предварительного β и образовывал переплетенную структуру Видманштеттена, напоминающую плетение корзины. Ширина мартенсита увеличивалась по мере уменьшения угла. Пластина с углом 0° не содержала мелкого игольчатого α’. Вместо этого из удлиненных границ зерен β с общими ориентациями выделялся лентообразный α, образуя параллельные колонии. Эти ленты α длиной 3–8 мкм образовывали ламеллярную структуру. Более низкий угол увеличивал как площадь сканирования на один слой, так и площадь контакта с опорной пластиной, снижая скорость охлаждения и степень переохлаждения. Кристаллизация замедлялась, α расширялся от игольчатого до лентообразного, а плотность структуры уменьшалась.

Площадь построения, доля фаз и твердость

В ходе исследования области наслоения использовался порошок Ti-6Al-4V размером 40–105 мкм (преимущественно 70–80 мкм) при мощности луча 3 000 Вт, скорости сканирования 1 000 мм/с и толщине слоя 0,1 мм. По мере увеличения площади наплавки с 0,5π до 12,5π мм², на изображениях, полученных методом сканирующей электронной микроскопии, наблюдалось уменьшение площади светлой β-матрицы и увеличение площади тёмной α-зоны.

Микротвёрдость измерялась вокруг поперечных сечений на участках площадью 0,5π, 2,0π, 12,5π, 32π и 50π мм². Твёрдость увеличилась с примерно 368 HV при 0,5π до примерно 450 HV при 50π по мере увеличения доли упрочняющего α. Согласно имеющимся данным, твёрдость отливок Ti-6Al-4V, изготовленных традиционным способом, составляла около 359 HV.

Горячее изостатическое прессование и усталость

Порошок Ti-6Al-4V с размером частиц 50–100 мкм, полученный методом газовой атомизации, наносился слоями толщиной 50 мкм при температуре в камере 730 °C. Некоторые образцы подвергались горячему изостатическому прессованию в течение 2 часов при температуре 910 °C и давлении 100 МПа. Два образца в исходном состоянии, испытанные на усталостное растяжение по оси при напряжении 500 МПа и коэффициенте напряжений R = 0,1, выдержали 29 863 и 60 331 цикл.

Горячее изостатическое прессование обеспечило значительно лучшие показатели усталостной прочности. На каждом уровне 600 МПа и выше было испытано по пять образцов, при этом по одному образцу было испытано при давлениях 575 и 550 МПа. Рассеивание результатов оставалось значительным: при давлении 750 МПа ресурс различался на два порядка величины; при давлении 650 МПа два образца превысили 1 × 10⁷ циклов, тогда как один вышел из строя при 1,1 × 10⁵.

Расследование с помощью растрового электронного микроскопа (SEM) показало, что горячее изостатическое прессование устраняет дефекты, возникшие в процессе изготовления. Большинство трещин зарождалось на поверхности, и все образцы с низким ресурсом имели трещины, зародившиеся на поверхности. При высокоцикловой усталости происходит накопление необратимого циклического постоянного скольжения, которое приводит к образованию механических микротрещин и объединяет их в усталостную трещину. На зарождение трещины обычно уходит более 95% от общего ресурса.

При σ_макс.=750 МПа и N_f=6,7 × 10⁴, трещина включала зону зарождения, зону распространения и конечную зону перегрузки. Точечный источник на поверхности образовал радиальные отпечатки. Усталостные бороздки были перпендикулярны направлению роста трещины и местно представляли собой непрерывные параллельные линии. Расчетная скорость роста трещины на этой стадии составила 3,8 × 10^-7 м/с. В зоне перехода к окончательному разрушению наблюдалось смешанное разрушение с бороздками и вмятинами; в конечной зоне были заметны сдвиговые кромки и равноосные вмятины.

Усталость пористых решеток из Ti-6Al-4V

Ли и его коллеги исследовали усталость при сжатии в решетчатых массивах из Ti-6Al-4V с пористостью 60%-85%. Предварительно легированный порошок со средним диаметром 30 мкм был предварительно нагрет до 650 °C в системе ARCAM. Решётки в форме ромбододекаэдров имели плотности 1,68; 1,12; 0,91 и 0,73 г/см³, что соответствует пористостям 62,0%, 74,7%, 79,5% и 83,5%. Прочность на сжатие увеличивалась с ростом плотности. В отличие от многих металлических решеток, массивы достигали пикового напряжения сразу после начала текучести, после чего в ходе дальнейшего сжатия наблюдались выраженные колебания.

Усталость приводила к прогрессирующему накоплению деформации и укорочению. Кривая «деформация-цикл» имела три этапа: быстрое накопление в первых нескольких циклах (N < 100), длительный период низкого, почти постоянного накопления и быстрое накопление после появления точки резкого скачка деформации N_c. N_c снижалась по мере увеличения напряжения, поэтому жизнь в основном определялась второй стадией. Скорость «защелкивания» dε/dN была весьма чувствительна к приложенному напряжению и относительной плотности; более низкое приложенное напряжение и более высокая плотность приводили к снижению этой скорости.

Все плотности демонстрировали сходное циклическое поведение. Петли гистерезиса постепенно смещались вдоль оси деформации, что подтверждало наличие циклического эффекта «трещотки». Деформация была равномерной на этапах 1 и 2. После N_c, он локализовался в зоне сильного деформирования под углом 45° к направлению нагружения. Испытания на разрыв с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) показали, что на 1-й стадии морфология оставалась неизменной, после чего появились трещины в распорках вблизи N_c, обширные трещины и сломанные раскосы.

Пористый Ti2448: сверхэластичность и усталость

Лю и его коллеги исследовали, как пористость в Ti2448 β-типа, полученном методом электронно-лучевой плавки, влияет на сверхэластичность, модуль Юнга, прочность на сжатие и усталостную прочность. Они также изучили дезориентацию зерен и отклонение трещин.

Суперупругость увеличивалась с ростом пористости и соотношения растягивающего и сжимающего напряжений. В процессе EBSM образовывались зерна различного размера с сильной дезориентацией; усталостные трещины отклонялись на границах столбчатых зерен. По сравнению с Ti-6Al-4V сплав Ti2448 продемонстрировал более высокую нормированную усталостную прочность благодаря суперэластичности, более обширной зоне пластичности перед вершиной трещины и отклонению трещины.

Образцы подвергались циклическому одноосному сжатию до суммарных деформаций 2%–3% с шагом 0,5%. Образцы с пористостью 67,9%, 77,4% и 91,2% продемонстрировали сверхупругость. При деформации 3% образец с пористостью 91,2% восстановился почти полностью, тогда как образец с пористостью 67,9% восстановился лишь на 0,5%. При сжимающей деформации 3% напряжения составили 35,8 МПа для образца с пористостью 67,9% и 7,2 МПа для образца с пористостью 91,2%. Максимальные отношения напряжения при растяжении к напряжению при сжатии составили 0,21 и 0,27 соответственно. Более высокое отношение при большей пористости усилило сверхэластичность и деформационную способность.