U usporedbi s tradicionalnom CrMnFeCoNi legurom visoke entropije, 3D tiskana legura FeCoCrNiMn visoke entropije koja sadrži ugljik pokazala je izvrsnu otpornost na puzanje pri visokim temperaturama (tj. brzina puzanja i prag naprezanja smanjeni su na minimum). Sveučilište Inha i Korejski institut za znanost o materijalima po prvi su put proučavali ponašanje visokotemperaturnog puzanja visokoentropijskih legura koje sadrže lasersku praškastu fuziju (LPBF) i objasnili utjecaj karbida nano-razmjera na otpornost na puzanje.
Prah CrMnFeCoNi HEA (u daljnjem tekstu C-HEA) koji sadrži ugljik sadržavao je 1,5 at% C i prosječnu veličinu čestica od 23,7 μm. Brzina skeniranja laserske fuzije praha (LPBF) je 600 mm/s, snaga je 90 W, udaljenost skeniranja je 0,08 mm, a debljina sloja je 0,025 mm. Kako bi se stabilizirala podzrna i formirale dodatne čestice karbida u nanorazmjeru, uzorci su toplinski obrađeni na 650 stupnjeva jedan sat.
Ispitivanje puzanja pri visokim temperaturama LPBF C-HEA provedeno je pod konstantnim naprezanjem od 175–325 MPa na temperaturi od 873 K (temperaturna stabilnost od 0.2 K održavana je tijekom ispitivanja puzanja, kao prikazano na slici 1), a ispitivanje puzanja uzorka Interval je 86.4 K. Kako bi se stabilizirala deformacija puzanja, puzanje ispitivanje od 259,2 ks provedeno je pri 150 MPa, nakon čega je uslijedilo ispitivanje puzanja u više koraka.
Slika 2 prikazuje SEM–EDS spektar i rezultate EBSD analize LPBF C–HEA. Utvrđeno je da su sastavni elementi u LPBF C–HEA ravnomjerno raspoređeni čak i nakon toplinske obrade, što sugerira da LPBF i naknadna toplinska obrada ne utječu na ujednačenost sastava mikronske HEA skale. Slika 2b prikazuje mapu EBSD inverzne polne figure (IPF). pri malom povećanju i otkriva da legura ima slojevitu i nejednoliku strukturu zrna. Nakon toplinske obrade, prosječna veličina zrna (AGS) nije se značajno promijenila i bila je slična onoj kod ugrađenog C–HEA. Imajte na umu da EBSD rezultati i XRD uzorci na slici 2b potvrđuju da sadašnja legura ima jednu fazu FCC, IPF mapa velikog povećanja jasno pokazuje visoko nazubljene granice zrna (GBs), što značajno poboljšava visokotemperaturno puzanje inhibiranjem klizanja GB (slika 2C 1). Geometrijski neophodne dislokacije (GND) tvore granice zrna pod malim kutom (LAGB) unutar zrna (Sl. 2C), a legura i dalje pokazuje izuzetno visoku GND gustoću nakon toplinske obrade na 650 stupnjeva.
Stvaranje nazubljenih granica zrna uglavnom se vidi u česticama druge faze sadržanim u metalnim materijalima, kao što su superlegure na bazi nikla i legure magnezija. Stvaranje nazubljenih GB zbog učinka pričvršćivanja čestica druge faze tijekom rasta zrna dobro je dokumentirano .Drugim riječima, toplinska obrada dovodi do rasta zrna, a čestice druge faze inhibiraju rast zrna u lokaliziranim područjima, što rezultira cik-cak izgled GB. Međutim, postupak starenja korišten u ovoj studiji nije izazvao nikakav rast zrna, što sugerira da su visoko nazubljene granice zrna u ovoj leguri uzrokovane koracima taljenja i skrućivanja LPBF-a. U nedavnom izvješću, 3D ispisani metalni materijali s in situ precipitacijom također pokazuju nazubljeni GB. Primijetite da je visoko nazubljeni GB viđen u izgrađenom C-HEA. Ovo sugerira da je učinak pričvršćivanja uzrokovan visokom gustoćom in situ karbida na granicama zrna tijekom cikličke toplinske obrade, što rezultira visoko nazubljenim granicama zrna.
Slika 3a je ECC slika LPBF C–HEA, koja pokazuje postojanje substruktura induciranih dislokacijskom mrežom. Izmjerena prosječna širina tih substruktura je 534,2 ± 16,3 nm. Prethodne studije su pokazale da je substruktura stabilizirana dodatno formiranim karbidom u nanorazmjeru precipitira s djelomično preuređenim dislokacijama. Slika 3b pokazuje da postoje veliki broj karbida nepravilnog oblika nano veličine (bijele strelice) na granicama substrukture. HAADF STEM slike i odgovarajuće EELS mape dobivene su za daljnje razumijevanje kemijske heterogenosti unutar karbida, kao što je prikazano na slici 3c. Nanokarbidi se uglavnom sastoje od Cr i C, što ukazuje da su ti karbidi bogati Crom.
Kao što je prikazano na slici 4, u prilog ovim nalazima, termodinamički izračunati fazni dijagrami ravnoteže za kemijski sastav LPBF C–HEA pomoću softvera Thermo–Calc i nadograđene verzije baze podataka TCFE2000. Fazni dijagram pokazuje da karbidi tipa M23C6 uglavnom se stvaraju u temperaturnom rasponu od 500–1000 stupnjeva, što ukazuje da Cr23C6 faza je glavna komponenta LPBF C–HEA. S druge strane, u literaturi, Cr23C6 karbidi CoCrFeMnNi HEA postoje u mjerilu od nekoliko mikrona, a sadržaj ugljika je 1.3-1.8 at %. Nasuprot tome, legura sadrži karbide nano veličine čak i nakon toplinske obrade, što sugerira da metastabilna substruktura s velikom gustoćom dislokacija kontrolira stvaranje nanovelikih karbida s jednoličnom distribucijom. U međuvremenu, oksidi bogati manganom također su primijećeni na EELS kartama, a objavljeno je da se sastoje od MnO u LPBF C–HEA. Međutim, učinak ojačanja MnO faze je nizak u odnosu na Cr23C6; stoga se u ovoj studiji karbidi smatraju glavnim doprinositeljima čvrstoće.
Slika 5a prikazuje višerazinske krivulje puzanja LPBF O–HEA, LPBF C–HEA i LPBF CrMnFeCoNi ojačanih nanooksidima. U svim rasponima naprezanja puzanja, LPBF C–HEA pokazao je manju deformaciju puzanja (tj. veću otpornost na puzanje) od referentnih materijala (LPBF CrMnFeCoNi i LPBF O–HEA). Nadalje, u usporedbi s rezultatima puzanja LPBF CoCrFeMnNi, LPBF C–HEA pokazao najnižu minimalnu stopu puzanja u svim naprezanjima puzanja Konkretno, pri primijenjenom naprezanju od 225 MPa, minimalna brzina puzanja LPBF C–HEA je oko dva reda veličine niža od one kod konvencionalno obrađenih legura. To znači da toplinska obrada ne samo da uvelike poboljšava mehaničku na sobnoj temperaturi svojstva, ali također poboljšava otpornost na puzanje pri visokim temperaturama u aditivno proizvedenom HEA, koji sadrži prezasićeni ugljik izazvan brzim skrućivanjem. Crne točke za jednofazno puzanje na slici 5b pokazuju dobru pouzdanost i ponovljivost višefaznog testa puzanja.
Kao što je prikazano na slici 6, deformacijsko ponašanje puzanja pri visokim temperaturama LPBF C-HEA istraženo je ispitivanjem mikrostrukture velikih razmjera korištenjem karte distribucije GND i karte IPF. Ranija studija ponašanja puzanja ekviatomskih CrMnFeCoNi HEA pronašla je značajno povećanje deformacije tijekom puzanja na 873 K, posebno kada je primijenjena velika količina naprezanja, što ukazuje na mikrostrukturne evolucija. Međutim, IPF dijagram na slici 6 pokazuje da nije došlo do mikrostrukturne evolucije u uzorku puzanja s deformacijom puzanja od 7%, čak i pri primijenjenom naprezanju od 325 MPa. Nadalje, kao što je prikazano na slici 7a, podstrukture koje nisu opažene u utvrđeno je da se EBSD mapa početnog uzorka pojavljuje u mikrostrukturi puzanja. Ovo ukazuje na to da jedinstvena početna mikrostruktura potiskuje kretanje dislokacija i evoluciju mikrostrukture i dovodi do izvrsne otpornosti na puzanje LPBF C-HEA. Kao što je naznačeno crnim strelicama na slici 6, ultrafina zrna veličine ~2 μm primijećena su u nekim regije, o čemu će biti riječi kasnije.
Kao što je prikazano na slici 7a, IPF karta visoke razlučivosti uzorka puzanja. Ozbiljno nazubljeni GB uočeni u mikrostrukturi puzanja sugeriraju da karbidi na nanomjernoj razini uzrokuju jaku nazubljenost GB tijekom deformacije puzanjem. U mnogim slučajevima metalnih materijala na bazi FCC-a, nazubljeni GB ometaju zrnatost granično klizanje, čime se poboljšava otpornost na puzanje pri visokim temperaturama. Zabilježeno je da je poboljšana otpornost na puzanje povezana s nižim stope kavitacije i širenje pukotina kroz GB nazubljenja. Za austenitne nehrđajuće čelike, mehanizam stvaranja nazubljenih granica zrna obično je povezan s interakcijom između granica zrna i precipitata karbida: 1) migracija granica zrna između zabodenih zrna i 2) utjecaj rasta karbida. LPBF C–HEA nije pokazao nikakav rast karbida nakon deformacije puzanjem (sl. 7c–d). Stoga se može zaključiti da se stvaranje nazubljenih granica zrna može pripisati migraciji granica zrna između zabodenih čestica.
GND profil na slici 7b prikazuje podzrna u uzorku puzanja. Iako ECC slika (Sl. 3a) pokazuje da početni uzorak ima substrukture ukrašene dislokacijskim mrežama, prema EBSD promatranju, substrukture se ne mogu razlikovati. Nasuprot tome, uzorci puzanja jasno su sadržavali substrukture s visokom GND gustoćom, što ukazuje da su se dislokacije akumulirale na granice podkonstrukcije kao i granice zrna tijekom puzanja pri visokim temperaturama. Ovo pokazuje da granice podkonstrukcije može uspješno blokirati gibanje dislokacije čak i pod deformacijom puzanjem pri visokim temperaturama. ECC slike velikog povećanja podržavaju visoko akumulirane dislokacije na granicama podzrna (Sl. 7c). Ovdje se mehanizam pričvršćivanja rešetke i dislokacijskih spojeva HEA objašnjava zajedničkim učinkom šumskih dislokacija i otvrdnjavanja koncentrirane otopine. Međutim, sadašnja legura pokazuje podzrna s visokom GND gustoćom nakon deformacije puzanjem, što sugerira da mehanizam puzanja LPBF-a HEA nanokompoziti donekle su drugačiji od deformiranih HEA. Zatim je ECCI korišten za ispitivanje rekristaliziranih ultrafinih zrnaca u uzorcima za puzanje (slika 7d), koji imaju nisku unutarnju gustoću dislokacija i ograničeni su karbidima. Za metalne materijale, Pokretačka sila rekristalizacije postupno raste s povećanjem temperature. Međutim, s obzirom na to da LPBF C–HEA stvara veliku količinu taloženja, što dovodi do Zennerovog pritiska pričvršćivanja, rekristalizacija je potisnuta čak i pri visokoj temperaturi. Stoga, LPBF C–HEA nije prošao nikakvu mikrostrukturnu evoluciju, poput oporavka i rekristalizacije, pod uvjetima deformacija puzanja pri visokoj temperaturi nakon primjene naprezanja od 325 MPa. Iako su rekristalizirana ultrafina zrna primijećena u nekim regijama, bila su ograničena karbidima nanometarske veličine, koji su spriječili daljnji rast zrna. Pažljivo ispitivanje strukture deformacije puzanjem pomoću ECCI i EBSD dovelo je do zaključka da su stabilna podzrna s mrežom dislokacija i karbidi nano veličine usporavaju oporavak i rekristalizaciju tijekom deformacije puzanjem dok dodatno ojačavaju substruktura inducirana mrežom dislokacija.
Sažetak:
Proces aditivne proizvodnje i naknadna toplinska obrada CrMnFeCoNi HEA koji sadrži ugljik dovode do stvaranja ne samo heterostrukturnih zrna sa substrukturama ukrašenim dislokacijskim mrežama, već i ravnomjerno raspoređenih karbida na granicama zrna i podzrna.
Otpornost na puzanje pri visokim temperaturama LPBF C-HEA bolja je od one prijavljenih visokoentropijskih legura CrMnFeCoNi. Brzina puzanja C-HEA je dva reda veličine niža od konvencionalno obrađenog HEA.
Mikrostrukturno promatranje potvrđuje da stabilna podzrna potiču stvaranje ekstremno nazubljenih granica zrna, što dodatno ojačava podzrna i inhibira rekristalizaciju tijekom visokotemperaturnog puzanja, što rezultira izvrsnom otpornošću na puzanje.
Ključne riječi: aditivno istraživanje, metalna aditivna proizvodnja, Mana materijali, metalni 3D ispis
