Rendimiento a alta temperatura del alambre. | Palabras sabias Group Co., Ltd

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 4541 (2023) Citar este artículo

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En el desarrollo de un proceso de deposición de energía dirigida por arco de alambre para superaleaciones utilizadas en entornos de vuelo de alta velocidad, se depositó Inconel 718 mediante un proceso de arco de plasma y se probó su rendimiento a alta temperatura. El material depositado se probó tanto en la condición depositada como después de un tratamiento térmico estándar de la industria de endurecimiento por envejecimiento para esta aleación. Los resultados mostraron un rendimiento reducido en ambas condiciones depositadas, con material tratado térmicamente superando significativamente el rendimiento del material depositado hasta 538 °C. La diferencia en el rendimiento fue menos significativa de 760 a 1000 °C, debido a un proceso de envejecimiento durante la prueba que aumentó el rendimiento del material depositado. La microestructura del material depositado mostró un agrietamiento significativo en toda la aleación y formación de fases secundarias en toda la matriz, con una precipitación significativamente mayor después del tratamiento térmico.

La Universidad de Cranfield se especializa en el desarrollo de procesos de fabricación aditiva (AM) de deposición de energía dirigida (DED). Este estudio se centra en la DED de arco de alambre, también conocida como fabricación aditiva de alambre + arco (WAAM); donde se usa un arco eléctrico para depositar una materia prima de alambre1, y donde las tasas de deposición son un orden de magnitud mayor que varios otros procesos de fabricación aditiva de metales.

Muchas aplicaciones relacionadas con vuelos de alta velocidad requieren resistencia a altas temperaturas, lo que requiere el uso de aleaciones especializadas, como superaleaciones a base de níquel o Hastelloy. La producción de estas aleaciones utilizando WAAM permitirá reducciones significativas de costos en comparación con la fabricación convencional mediante el ahorro de material y con plazos de entrega muy reducidos. Además, acelerará en gran medida el desarrollo de nuevos diseños, ya que los prototipos se pueden fabricar de forma más rápida y rentable. Este documento explorará el efecto que tiene el proceso WAAM en las propiedades de tracción a alta temperatura de Inconel 718 (IN718).

Inconel 718 es una superaleación a base de níquel endurecida por envejecimiento, que es una de las aleaciones más utilizadas en componentes de motores aeroespaciales. IN718 fue desarrollado para servicio a alta temperatura, como tal fue diseñado para resistencia a temperatura más alta, resistencia a la fluencia y buena vida de fatiga hasta 650 °C2.

James et al., entre otras aleaciones, investigaron las propiedades de tracción a temperatura ambiente y la macroestructura del alambre de arco DED IN718 en un estudio anterior. Descubrieron que las aleaciones endurecidas por envejecimiento depositadas (AD) tenían un desempeño significativamente inferior en comparación con su resistencia forjada declarada en la literatura3,3. Se ha demostrado que el tratamiento térmico de alambre de arco DED IN718 mejora las propiedades de tracción, Seow et al. informó un rendimiento de tracción a temperatura ambiente (RT) del 86 % del UTS forjado con un tratamiento térmico modificado4.

Bhujangrao et al. investigó el rendimiento a alta temperatura de WAAM IN718 en comparación con el material forjado y descubrió que la formación de fases de Laves conduce a una reducción en el rendimiento del material WAAM, que dicen que se debe al comportamiento frágil de la fase de Laves que actúa como una fractura preferida camino5. El trabajo de Lan et al. también reporta la formación de la fase de Laves entre los brazos dendríticos y su asociación con cracking8. Artaza et al. investigaron métodos para controlar la formación de grietas en WAAM IN718, en el estudio encontraron que el uso de una estrategia de enfriamiento entre pasadas controla la formación de fases de Laves y reduce la formación de grietas6.

Al utilizar el laminado in situ con DED láser, Li et al. descubrió que mediante el uso de laminación mecánica de las capas depositadas, las fases de Laves formadas en IN718 estaban más dispersas y se encontraban en una fracción de volumen más baja en comparación con el material depositado. También descubrieron que el láser DED asistido por rodadura mejoraba las propiedades de tracción de IN7189.

Para comprender con más detalle el efecto que tiene el proceso WAAM en las propiedades de tracción a alta temperatura de AD y el IN718 tratado térmicamente para una aplicación de vuelo de alta velocidad, se realizaron pruebas a temperatura ambiente: 1000 °C. Se espera que la aplicación someta las estructuras externas a temperaturas de servicio de hasta 1000 K (727 °C) y 1200 + K (927 °C) para los componentes en la ruta del flujo de propulsión.

Se utilizó un proceso de deposición de energía dirigida por arco de alambre (DED), comúnmente conocido como fabricación aditiva de alambre + arco (WAAM), para depositar un alambre Inconel 718 (IN718) de 1,2 mm de diámetro. La configuración experimental incluía: un sistema CNC lineal de tres ejes, una fuente de alimentación de plasma Migatronic de 320 A CA/CC, una antorcha de plasma refrigerada por agua montada en una plantilla ajustable en el sistema CNC, un alimentador de alambre externo y una caja de guantes una atmósfera de argón, controlada mediante un analizador de oxígeno, a un nivel inferior a 800 ppm de oxígeno. La configuración experimental se muestra en la Fig. 1. La configuración experimental se ha mantenido consistente con el trabajo previo de James et al. sobre la deposición WAAM de la misma aleación7.

Configuración experimental de WAAM7.

Las estructuras de pared se depositaron sobre un lado del sustrato en una sola dirección. Para la deposición se utilizaron los siguientes parámetros: una corriente de arco de 180 A, una velocidad de alimentación de hilo de 1,8 m/min, una velocidad de recorrido de la antorcha de 5 mm/seg, una distancia de antorcha a trabajo de 8 mm y, finalmente, una pasar la temperatura de 170 °C después de aprox. 3 min de enfriamiento.

Después de la deposición, las muestras para las pruebas se extrajeron de la pared WAAM construida y se fabricaron en especímenes de tracción. Antes de la prueba, la mitad de los especímenes se sometieron a un tratamiento térmico de endurecimiento por envejecimiento conforme al estándar de la industria aplicado a las aleaciones forjadas. Las muestras se sometieron a un proceso que consistía en la disolución durante una hora a 970 °C, seguido de enfriamiento rápido con agua, luego un proceso adicional de envejecimiento durante ocho horas a 718 °C, después de lo cual las muestras se dejaron enfriar dentro del horno a 620 °C donde se detenido durante otras ocho horas. Después de completar el proceso de envejecimiento, las muestras se enfriaron al aire.

Para comprender el rendimiento de WAAM IN718 y el efecto del tratamiento térmico posterior a la deposición, se probaron muestras de tracción a temperatura ambiente (RT), 538, 760 y 1000 °C, tanto en estado depositado (AD) como tratado térmicamente (HT). condiciones. Pruebas de tracción conforme a ASTM E8(M) para pruebas RT y E21 para pruebas a alta temperatura. En las Figs. 2 y 3. Todas las pruebas se llevaron a cabo utilizando un sistema de prueba universal servohidráulico Instron 8801 con una velocidad de deformación de 0,005 min-1 hasta el inicio de la deformación plástica y, posteriormente, una velocidad de cruceta de 1,6 mm/min. Los especímenes a alta temperatura se mantuvieron durante 30 minutos a la temperatura de prueba, antes de que comenzara la prueba. Los especímenes se extrajeron de varios lugares en la pared WAAM para minimizar la variación en los resultados debido a cualquier efecto de envejecimiento en la aleación del proceso WAAM.

Cupón de prueba de tracción RT conforme a la muestra subdimensionada ASTM E8M. X ± 0,5 mm, XX ± 0,1 mm. (No a escala).

Cupón de tracción a temperatura elevada utilizado a 538–1000 °C, conforme a los requisitos de ASTM E21. X ± 0,5 mm, XX ± 0,1 mm. (No a escala).

También se extrajeron especímenes para evaluación microestructural. Se extrajeron muestras de las paredes de WAAM en la dirección de construcción (BD), secciones transversales de espesor total (TT), y luego se prepararon para el análisis metalográfico montando, esmerilando y puliendo sucesivamente. Para revelar la microestructura, las muestras se grabaron con un hisopo durante 10 s utilizando el reactivo de Kalling no. 2. Las muestras se observaron ópticamente con un microscopio Leica DM 2700 M y con un microscopio electrónico de barrido (SEM) con un TESCAN Vega 3 SEM.

El rendimiento mecánico en el rango de temperaturas se proporciona tanto en la Tabla 1 como en la Fig. 4. Los resultados se presentan junto con los valores de la literatura para IN718 en su estado forjado. Como se esperaba de los datos de la literatura, se observó una disminución en el rendimiento con el aumento de la temperatura de prueba. El rendimiento del material WAAM va a la zaga de la condición forjada.

Representación gráfica de los datos presentados en la Tabla 1. UTS (izquierda), YS (derecha). (Impresión a color).

El material AD alcanza en promedio solo el 40 % de las resistencias forjadas para las pruebas de RT y 538 °C; sin embargo, cuando se prueba a 760 °C, el rendimiento promedio aumenta al 62 % del UTS forjado y al 74 % del YS. El aumento en el rendimiento comparativo a la temperatura de prueba de 760 °C indica un efecto de envejecimiento durante la prueba, donde el material ha estado sujeto a su temperatura de envejecimiento durante la prueba. Esto se confirma a través de los resultados de los especímenes HT, que logran un desempeño comparativo mucho más consistente con los datos forjados. Las muestras HT alcanzan el 60 % de la UTS forjada para RT y 538 °C y el 67 % a 760 °C.

Cuando se prueba a 1000 °C, la diferencia entre las muestras AD y HT es menos evidente, y la diferencia en el módulo elástico es insignificante durante la prueba.

El módulo de elasticidad, que es de aprox. Se cree que el 86 % del material forjado para especímenes AD y HT se debe a cambios menores en la composición química que ocurren durante el tratamiento térmico, como lo discutieron Parveen y Murthy10. Esto podría ser cierto tanto para los especímenes AD como para los HT debido al efecto de envejecimiento causado por el proceso WAAM, como lo vieron previamente Xu et al.11.

La microestructura general del material AD y HT se presenta en la Fig. 5. Se observan cantidades significativas de agrietamiento en todo el material de construcción, y el agrietamiento parece más severo después del tratamiento térmico.

Microestructura general.

En la Fig. 6 se presenta una comparación entre la microestructura AD y HT. Hay mucha más precipitación observada visualmente en la condición HT en comparación con la condición AD, lo cual no es inesperado. En la condición AD, la microestructura exhibe islas de precipitados en forma de cadena que se ven en las dendritas, y cuando la aleación se ha sometido a un tratamiento térmico, estos precipitados se ven rodeados por precipitados en forma de aguja en un patrón de Widmanstätten-Thomson, que se entiende que son Laves. rodeado por una fase δ acicular, que también fue informado por Xu et al. en IN718 producido por alambre-arco DED13. También se observó una cantidad significativa de grietas tanto en la condición AD como en la HT, como se ve en las micrografías. El borde de la grieta parece contener las mismas fases secundarias observadas en toda la matriz, y nuevamente cuando se trata con calor precipita una fase acicular localmente (Fig. 7). La precipitación de estas fases aciculares se puede ver con mayor detalle bajo SEM, presentado en la Fig. 8.

Microestructura AD y HT. AD izquierda, HT derecha.

Fases secundarias en borde de fisura en condición HT.

Vista SEM de las fases secundarias en condición HT.

La formación de estas fases en los bordes de las grietas sugiere que las fases son perjudiciales para el rendimiento y provocan el agrietamiento durante la solidificación, lo que sin duda es un factor que contribuye al déficit de rendimiento observado frente a los valores de forjado.

Se sabe que la estructura de IN718 que se produce utilizando DED de arco de alambre está formada por grandes granos columnares, que son perjudiciales para la matriz endurecida por envejecimiento. James et al. observó la microestructura más amplia de IN718, así como otras aleaciones en un estudio anterior3.

Como se sugirió anteriormente, se cree que las pruebas a temperatura elevada han causado que las muestras de AD envejezcan durante las pruebas, debido a un aumento en el rendimiento de las muestras de AD en la prueba de 760 °C, donde las muestras de AD alcanzan el rendimiento de las muestras de HT. La microestructura detrás de la superficie de fractura de las muestras AD se presenta en la Fig. 9 a cada temperatura probada. Se puede apreciar claramente en la microestructura la precipitación de fases a 760 °C así como la formación de fases aciculares después del ensayo a 1000 °C.

Microestructura detrás de la superficie de fractura de especímenes analizados por AD que muestra el efecto de envejecimiento de las temperaturas de prueba.

Depositar IN718 usando DED de arco de alambre afecta el rendimiento de tracción. El material AD y HT alcanza el 40 y el 60 % de la UTS forjada respectivamente en el rango de RT—538 °C.

El tratamiento térmico del material AD con el tratamiento estándar de la industria aumenta el rendimiento, pero no da como resultado un aumento del rendimiento forjado.

La prueba del material AD a 760 °C conduce a un aumento en el rendimiento debido a un efecto de envejecimiento durante la prueba.

El DED de arco de alambre causa fisuración por solidificación en IN718, donde se encuentran fases secundarias en los bordes de la fisura.

Los conjuntos de datos generados y analizados durante el estudio actual no están disponibles públicamente ya que son objeto de un estudio en curso, pero están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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Los autores desean agradecer al Ministerio de Defensa del Reino Unido por su apoyo financiero y a los supervisores industriales de DSTL Porton Down por su asesoramiento y orientación constantes: el Sr. Graham Simpson y el Dr. Matthew Lunt.

Este trabajo fue financiado por el Laboratorio de Ciencia y Tecnología de Defensa, Reino Unido (DSTL). Los autores no tienen intereses financieros o no financieros relevantes que revelar.

Centro de soldadura y fabricación aditiva, Universidad de Cranfield, Cranfield, MK43 0AL, Bedfordshire, Reino Unido

William Sean James, Supriyo Ganguly y Gonçalo Pardal

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WSJ—Investigación, selección de datos, redacción (borrador original), visualización. SG—Redacción (revisión y edición), supervisión, adquisición de fondos. Médico de cabecera, Redacción (revisión y edición), supervisión. Todos los autores dan su consentimiento para la publicación de este artículo.

Correspondencia a William Sean James.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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James, WS, Ganguly, S. y Pardal, G. Rendimiento a alta temperatura del Inconel 718 fabricado con aditivo de arco de alambre. Sci Rep 13, 4541 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-29026-9

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Recibido: 22 noviembre 2022

Aceptado: 30 de enero de 2023

Publicado: 20 de marzo de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-29026-9

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