البنية المجهرية والتباين في الخواص الميكانيكية لسبائك Invar36 بواسطة LPBF
إنفار 36 تستخدم على نطاق واسع في صناعة الطيران والأدوات الدقيقة. قام فريق Truer RD بإعداد عينات من سبيكة Invar36 من خلال عملية دمج قاع المسحوق بالليزر (LPBF) لإجراء بعض التحقيقات في بنيتها المجهرية&؛ الخواص الميكانيكية. أظهرت النتائج أن البنية المجهرية والخصائص الميكانيكية للتوجهات الثلاثة لها خاصية تباين الخواص.
الجدول 1 هو التركيب الكيميائي لمساحيق عينات LPBF التي تنتجها شركة Truer.يتكون التركيب الاسمي لسبائك Invar 36 من 36% نيكل و64% حديد، مع وجود عناصر أخرى كشوائب نزرة لا يمكن تجنبها أثناء عملية تحضير المسحوق. ولذلك، فإن بعض الإجهاد المتبقي الناجم عن الشوائب النزرة لا يُذكر.
الشكل 1 أظهرت صورة جسيمات المسحوق SEM التي تم اختبارها مع D10: 19.1 ميكرومتر، D50: 37.3 ميكرومتر وD90: 63.7 ميكرومتر.
الجدول 1 التركيب الكيميائي لمسحوق Invar 36 المدروس | |||||||
العناصر | الحديد | ني | سجل تجاري | مينيسوتا | شارك | ص | ج |
النسبة المئوية للوزن | بال | 36.02 | 0.005 | 0.029 | 0.030 | 0.001 | 0.0011 |
توصيف البنية المجهرية من سبائك Invar 36 المحضرة بواسطة LPBF مع مسحوق Invar 36 المنتج بواسطة Truer يُظهر طور جاما واحد واضحًا مع شبكة مكعبة متمركزة الوجه وتوجهات قوية. وهذا يشير إلى إمكانية وجود اتجاه مثالي للحبيبات في العينات.
من أجل دراسة تباين البنية المجهرية لسبائك Invar36 ذات الاتجاهات المختلفة المحضرة بواسطة LPBF، تم تحليل شكل الحبوب وحجمها. تباين الخواص المجهرية للبنية المجهرية لسبائك Invar36 (الشكل 2) التي تم تحضيرها بواسطة LPBF عند اتجاهات 0 درجة و45 درجة و90 درجة مماثلة لتلك التي لوحظت في سبائك Inconel 718 وAlSi10Mg التي تم تحضيرها بواسطة LPBF.
عند درجة 0 درجة و45 درجة و90 درجة، تتشابه البنية المجهرية لسبائك Invar 36 المحضرة بواسطة LPBF أيضًا مع سبيكة Ti15Mo المحضرة بواسطة LPBF، حيث تكون كلتا العينتين 0 درجة و45 درجة متساوية المحور، ويختلف حجم حبيبات 90 درجة اختلافًا كبيرًا في حجم وشكل الحبيبات مقارنةً بالعينتين الأخريين.
وفقًا للقاعدة، فإن شدة الحبوب هي الجذر التربيعي لمؤشر الحبوب الذي يشير إلى اتجاه الحبوب. لذا، بعد إجراء بعض العمليات الحسابية، يمكن حساب قوة نسيج سبيكة Invar36 المحضرة بواسطة عملية LPBF، وقوة نسيج العينات بزاوية 0 درجة و45 درجة و90 درجة على أنها 2.46 و2.90 و2.61 على التوالي. يكون مؤشر النسيج وقوة النسيج لسبائك Invar36 المحضرة بواسطة عملية LPBF أكبر من 1 في اتجاهات 0°، و45°، و90°، مما يشير إلى أن البنية المجهرية للمادة تُظهر تباينًا واضحًا في الخواص.
تم اختبار منحنيات الإجهاد والإجهاد لسبائك Invar36 المصنعة بواسطة LPBF في اتجاهات بناء مختلفة. من الواضح أن العينات الثلاث تُظهر خواص ميكانيكية مختلفة: العينة 90 درجة لها قوة خضوع تبلغ 364 ميجا باسكال، بينما تُظهر العينات 0 درجة و45 درجة أعلى 392 ميجا باسكال و401 ميجا باسكال. واتبعت قوة الشد لكل عينة هذا الاتجاه، بقيم 397MPa و485MPa و496MPa للعينات 90° و0° و45°. أخيرًا، يُظهر قياس الاستطالة أن الاستطالة عند 90 درجة هي 62.70% مما يشير إلى أن سبيكة Invar 36 المحضرة بواسطة LPBF لديها إمكانية تطبيق جيدة.
الشكل 3 يوفر تفسيرًا أكثر اكتمالاً لتباين البنية المجهرية في السبائك المصنعة بواسطة LPBF. بالنسبة لزاوية 90 درجة، يكون التدرج الحراري G بين الحوض المنصهر والمادة الصلبة المتصلبة أكبر بكثير، مما يؤدي إلى تكوين حبيبات عمودية في اتجاه التدفق الحراري. بالنسبة للعينات بزاوية 0 درجة، تتدفق الحرارة من مركز الحوض المنصهر إلى كلا الجانبين، مما يؤدي إلى انخفاض G. ولذلك، يكون من الأسهل تكوين حبيبات متساوية. بالإضافة إلى ذلك، تظهر العلاقة الهندسية للبنية المجهرية لعينة 45 درجة في الشكل 3 (ج). ويعادل السطح المرصود السطح الذي تم الحصول عليه عن طريق قطع العينة بزاوية 90 درجة بمماس 45 درجة، وإسقاط العينة بزاوية 0 درجة. لذلك، تُظهِر كل من عينتي 0° و45° شكلًا متساوي المحور، لكن العينة الأخيرة تُظهِر استطالة.
الشكل 4 يُظهر مورفولوجيا كسر الشد لعينات بزاوية 0 درجة و45 درجة و90 درجة عند درجة حرارة الغرفة، مما يكشف عن نمط فشل الشد. في العينات بزاوية 0 درجة و45 درجة، توجد مسام كبيرة، والتي قد تُعزى إلى تكوين مناطق ضعيفة ذات ترابط معدني تالف. أثناء اختبار الشد، تُظهر المنطقة الضعيفة كسرًا تفضيليًا، مما يؤدي إلى توليد حواف ممزقة. في المقابل، لا تُظهر العينة بزاوية 90 درجة فراغات كبيرة وتُظهر استطالة ممتازة، وهو ما يتوافق مع نتائج اختبار الشد.
بعد إجراء بعض الاختبارات والتحليلات بواسطة Truer لسبائك Invar36 التي تم تحضيرها عن طريق دمج طبقات المسحوق بالليزر، استنتجنا أنه عند اتجاهات بناء مختلفة من 0 درجة و45 درجة و90 درجة، تُظهر البنية المجهرية والخصائص الميكانيكية لسبائك Invar36 المحضرة بواسطة LPBF تباينًا واضحًا في ثلاثة اتجاهات. وأظهرت العينات في اتجاه 90 درجة نمو حبيبات عمودية في تجمعات متعددة. ومع ذلك، تُظهر الهياكل المصنعة في اتجاهات 0 درجة و45 درجة حبيبات متساوية الخواص. إن الخواص الميكانيكية لسبائك Invar36 المحضرة بواسطة LPBF حساسة للبنية المجهرية وبالتالي تُظهر تباينًا واضحًا في الخواص. أظهرت سبيكة Invar36 المحضرة بواسطة LPBF انكسارًا مطيلًا، وكانت العينة المحضرة في اتجاه 90 درجة ذات حجم دمل أكبر واستطالة أفضل (62.70%).
يوفر هذا العمل رؤى قيّمة وأساسًا متينًا لتصنيع سبيكة Invar36 بواسطة LPBF وكذلك مساحيق Invar 36.