Die Mikrostruktur und die Anisotropie der mechanischen Eigenschaften der Legierung Invar36 durch LPBF
Invar 36 ist in der Luft- und Raumfahrt und bei Präzisionsinstrumenten weit verbreitet. Das Team von Truer RD hat die Proben der Legierung Invar36 im Laser-Pulverbett-Schmelzverfahren (LPBF) hergestellt, um die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften in den drei Orientierungen eine Anisotropie aufweisen.
Tabelle 1 Die nominelle Zusammensetzung der Legierung Invar 36 besteht aus 36 % Ni und 64 % Fe, wobei andere Elemente als unvermeidliche Spurenverunreinigungen während des Pulveraufbereitungsprozesses vorhanden sind. Daher ist eine gewisse Eigenspannung, die durch Spurenverunreinigungen verursacht wird, vernachlässigbar.
Abb. 1 zeigte ein SEM-Foto von Pulverpartikeln, die mit D10: 19,1μm, D50: 37,3μm und D90: 63,7μm getestet wurden.
| Tabelle 1 Chemische Zusammensetzung des untersuchten Invar 36-Pulvers | |||||||
| Elements | Fe | Ni | Cr | Mn | Co | P | C |
| Gew.-% | Bal | 36.02 | 0.005 | 0.029 | 0.030 | 0.001 | 0.0011 |
Charakterisierung des Mikrogefüges von Invar-36-Legierungen, die durch LPBF mit Invar-36-Pulver von Truer hergestellt wurden, zeigt eine klare einzelne Gamma-Phase mit kubisch-flächenzentriertem Gitter und starken Orientierungen. Dies deutet darauf hin, dass in den Proben die Möglichkeit einer optimalen Kornorientierung besteht.
Zur Untersuchung der Mikrostrukturanisotropie von Invar-36-Legierungen mit unterschiedlichen Orientierungen, die durch LPBF hergestellt wurden, wurden die Kornmorphologie und -größe analysiert. Die Mikrostrukturanisotropie von Invar 36-Legierungen (Abb. 2), die mit LPBF in den Orientierungen 0°, 45° und 90° hergestellt wurden, sind ähnlich wie bei Inconel 718 und AlSi10Mg-Legierungen, die mit LPBF hergestellt wurden.
Bei 0°, 45° und 90° ist das Gefüge der durch LPBF hergestellten Legierung Invar 36 ebenfalls ähnlich dem der durch LPBF hergestellten Legierung Ti15Mo. 0°- und 45°-Proben sind gleichachsig, die Korngröße von 90° unterscheidet sich deutlich in Korngröße und -form im Vergleich zu den anderen beiden Proben.
Nach der Regel ist die Kornintensität die Quadratwurzel aus dem Kornindex, der die Kornorientierung angibt. So nach einigen Berechnungen, Invar36-Legierung durch LPBF, die Textur Stärke von 0 °, 45 ° und 90° Proben können als 2,46, 2,90 und 2,61 berechnet werden, jeweils. Der Texturindex und die Texturstärke der durch LPBF hergestellten Invar-36-Legierung sind in den Richtungen 0°, 45° und 90° größer als 1, was darauf hinweist, dass die Mikrostruktur des Materials eine deutliche Anisotropie aufweist.
Die Spannungs-Dehnungs-Kurven der Invar36-Legierung, die von LPBF in verschiedenen Baurichtungen hergestellt wurde, wurden getestet. Offensichtlich weisen die drei Proben unterschiedliche mechanische Eigenschaften auf: Die Probe 90° hat eine Streckgrenze von 364MPa, während die Proben 0° und 45° höhere Werte von 392MPa und 401MPa aufweisen. Auch die Zugfestigkeit der einzelnen Proben folgt diesem Trend, mit Werten von 397MPa, 485MPa und 496MPa für 90° , 0° und 45° . Schließlich zeigt die Dehnungsmessung, dass die Dehnung bei 90° 62,70% beträgt, was darauf hindeutet, dass die durch LPBF hergestellte Invar 36-Legierung eine gute Anwendungsperspektive hat.
Abb. 3 liefert eine umfassendere Erklärung für die Anisotropie des Gefüges in Legierungen, die durch LPBF hergestellt werden. Bei 90° ist der Temperaturgradient G zwischen dem Schmelzbad und dem erstarrten Festkörper deutlich größer, was die Bildung säulenförmiger Körner in Richtung des Wärmeflusses begünstigt. Bei 0°-Proben fließt die Wärme vom Zentrum des Schmelzbades zu beiden Seiten, was zu einem geringeren G führt, so dass sich leichter gleichachsige Körner bilden. Die geometrische Beziehung des Mikrogefüges der 45°-Probe ist in Abb. 3 (c) dargestellt. Die beobachtete Oberfläche entspricht der Oberfläche, die man durch Schneiden der 90°-Probe mit einer 45°-Tangente erhält, und der Projektion der 0°-Probe. Daher weisen sowohl die 0°- als auch die 45°-Probe eine gleichachsige Morphologie auf, wobei letztere eine Dehnung aufweist.
Fig. 4 zeigt die Zugbruchmorphologie der 0°-, 45°- und 90°-Proben bei Raumtemperatur, die die Art des Zugversagens verdeutlicht. In den 0°- und 45°-Proben gibt es große Poren, die auf die Bildung schwacher Bereiche mit beschädigter metallurgischer Bindung zurückgeführt werden können. Während des Zugversuchs bricht der schwache Bereich bevorzugt, was zur Bildung von Abrisskanten führt. Im Gegensatz dazu weist die 90°-Probe keine großen Hohlräume auf und zeigt eine ausgezeichnete Dehnung, was mit den Ergebnissen des Zugversuchs übereinstimmt.
Nach einigen Tests und Analysen von Truer für Invar36-Legierungen, die durch das Schmelzen von Laser-Pulver-Betten hergestellt wurden, kamen wir zu dem Schluss, dass die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften von Invar36-Legierungen, die durch LPBF hergestellt wurden, bei verschiedenen Bauorientierungen von 0°, 45° und 90° eine deutliche Anisotropie in drei Richtungen aufweisen. Die Proben in 90°-Richtung zeigten säulenförmiges Kornwachstum in mehreren Pools. Die in 0°- und 45°-Richtung hergestellten Strukturen weisen jedoch gleichachsige Körner auf. Die mechanischen Eigenschaften der durch LPBF hergestellten Invar36-Legierung sind empfindlich gegenüber der Mikrostruktur und zeigen daher eine deutliche Anisotropie. Die durch LPBF hergestellte Invar36-Legierung zeigte einen duktilen Bruch, und die in 90°-Richtung hergestellte Probe wies die größte Grübchengröße und die beste Dehnung (62,70%) auf.
Diese Arbeit liefert wertvolle Erkenntnisse und eine solide Grundlage für die Herstellung von Invar36-Legierungen mittels LPBF und auch von Invar 36-Pulvern.