《Acta Materialia》：?電子束增材制造修復(fù)316L不銹鋼的動態(tài)性能
2023-03-09 15:18:43
作者：材料科學(xué)與工程 來源：材料科學(xué)與工程
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增材制造是一項(xiàng)快速發(fā)展的技術(shù)，它依靠連續(xù)的材料沉積來制造或修改具有復(fù)雜幾何形狀的零件。這使得AM非常適合需要少量此類部件或具有特殊性能的應(yīng)用，例如航空航天和國防部門的原型和新產(chǎn)品開發(fā)。使用AM技術(shù)修復(fù)現(xiàn)有部件避免了許多突出的痛點(diǎn)(如低生產(chǎn)量和高啟動成本)，并引入了幾個關(guān)鍵優(yōu)勢(如材料類型和修復(fù)形狀的多功能性)。此外，與傳統(tǒng)的修復(fù)方法(如弧焊)相比，一些AM技術(shù)在集成傳感和控制方面和較低的熱輸入方面具有優(yōu)勢，從而導(dǎo)致較小的熱影響區(qū)。雖然，增材制造有可能用于高價值零件的修復(fù)，但這種修復(fù)零件的強(qiáng)度和完整性（特別是在動態(tài)載荷下）仍然未知。來自美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室的學(xué)者介紹了電子束增材制造修復(fù)316L不銹鋼的動態(tài)性能。其中，316L樣品被故意損壞，隨后用308L不銹鋼絲通過電子束添加劑制造進(jìn)行修復(fù)。對修復(fù)后的樣品進(jìn)行氣槍沖擊試驗(yàn)，以誘導(dǎo)早期損傷，并確定修復(fù)區(qū)域在指示損傷和失效中所起的作用。結(jié)果表明：1)修復(fù)區(qū)的狀態(tài)方程與原始材料相似，表現(xiàn)為層裂平面位置不變；2)變形行為與原始材料相似，表現(xiàn)為相似的Hugoniot彈性極限；3)修復(fù)區(qū)的層裂強(qiáng)度因晶粒度不同而略高于原始材料；4)修復(fù)區(qū)的損傷形態(tài)不同，空洞聚結(jié)率較高。盡管層裂強(qiáng)度和損傷形態(tài)上有這些微小的差異，但原始材料和修復(fù)后的樣品的整體動態(tài)響應(yīng)相似，這表明AM是修復(fù)高價值部件的一種有前途的方法。相關(guān)文章以“Dynamic properties of 316l stainless steel repaired using electron beam additive manufacturing”標(biāo)題發(fā)表在Acta Materialia。https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.118636
圖1.樣品制備過程：a)人工損傷鍛造316L不銹鋼試件的示意圖和按比例繪制的深度為d的銑槽試件。b)電子束附加制造修復(fù)工藝，采用送絲308L修復(fù)材料和EBAM修復(fù)后的板材照片。c)機(jī)加工樣品以不同的顏色顯示修復(fù)區(qū)域，以保證修復(fù)區(qū)域的清晰度，橫斷面圖中顯示錐度，虛擬TX虛擬厚度TT如圖所示；樣品放置在靶架組件中并進(jìn)行拋光，以確保平坦度和平行面。
圖2.原始鍛造316L不銹鋼和電子束添加劑制造的線材308L不銹鋼材料的表征：電子背散射衍射顯微照片顯示了修復(fù)(上行)和鍛造(下行)材料中的晶粒度和取向(右列)和相組成(左列)。
圖3. 增材制造(AM)修復(fù)區(qū)域的動態(tài)強(qiáng)度與原始鍛造區(qū)域(WR)對比：由于修復(fù)深度的不同，樣品A和B在原始材料(橙色背景)中發(fā)生內(nèi)部損傷，樣品E和F在AM修復(fù)材料中發(fā)生損傷(綠色背景)，樣品C和D的損傷擴(kuò)散到兩個區(qū)域(漸變背景)。層裂強(qiáng)度用星形(左垂直軸)表示，Hugoniot彈性極限(HEL)用圓(右垂直軸)表示。與鍛造材料相比，修復(fù)區(qū)域顯示出更高的層裂強(qiáng)度。
圖4.光學(xué)顯微鏡圖像：每個試件的頂面為沖擊面，原始鍛造材料顏色較淺，修復(fù)區(qū)域較暗，呈現(xiàn)鱗片狀圖案。在每個樣品的中心有明顯的層裂平面，右邊的圖表顯示了矩形框所示區(qū)域在垂直方向上的凈損傷。
圖5.原始鍛造材料(左)和AM修復(fù)材料(右)中發(fā)生的早期層裂損傷的電子背散射衍射圖。
圖6.與AM修復(fù)材料相比，原始鍛造材料中空洞的形成是由于鍛造材料中的大量晶界充當(dāng)許多較小圓形空洞的形核位置，而AM材料中缺乏晶界會導(dǎo)致晶內(nèi)空洞生長和通過晶粒合并。本研究制備了一系列316L不銹鋼樣品，加工區(qū)域的人工損傷深度從0.0-2.0 mm不等，然后用送絲電子束添加劑制造進(jìn)行修復(fù)。修復(fù)后的樣品用氣槍發(fā)射的飛片受到高應(yīng)變率的沖擊，并用光子多普勒測速儀測量樣品的速度。根據(jù)本研究的結(jié)果，這項(xiàng)工作中使用的EBAM技術(shù)是進(jìn)行修復(fù)的一個有前途的選擇。未來的研究工作可能集中在替代的工藝參數(shù)或修復(fù)后處理，以實(shí)現(xiàn)更均勻的顆粒結(jié)構(gòu)，并更好地匹配修復(fù)的行為與原始材料。
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