Study of the structure, phase composition, and mechanical properties of additively manufactured Ti-6Al-4V/B₄C composite using synchrotron X-ray

Texto integral

ВВЕДЕНИЕ

На сегодняшний день металлические сплавы исчерпывают свой ресурс повышения физико-механических свойств классическими методами, применяемыми в металлургии. В индустрии существует актуальная задача разработки новых материалов и соответствующих изделий на основе металлокерамики, имеющих значительно увеличенные физико-механические характеристики по сравнению с металлическими сплавами.

Титановый сплав Ti-64 является традиционным материалом, широко используемым в аэрокосмической и судостроительной промышленности [1]. Однако Ti-64 обладает высокой чувствительностью к износу.

Наплавка металлокерамических композитов в настоящее время сопряжена с рядом проблем. Одна из них ― склонность к дефектообразованию: композиты подвержены развитию таких дефектов, как трещины, поры и участки несплавления [2–4]. Другая ― неконтролируемые реакции in situ, которые могут вызвать дальнейшие микроструктурные изменения даже после процесса наплавки [5–7].

Несмотря на достижения в области аддитивного производства, наплавка высокоэнтропийных сплавов и металлокерамических смесей по-прежнему сопряжена с трудностями. Подверженность этих материалов горячему растрескиванию подробно описана в литературе [8, 9].

Реакции в системе Ti-B-C приводят к образованию новых фаз, а подача дополнительной энергии в систему «подложка/покрытие» может привести к значительным изменениям. Помимо получения покрытий без трещин за счет снижения температурных градиентов в материале, предварительный нагрев также может влиять на структурно-фазовый состав покрытий, сказываясь на их твердости и износостойкости [10]. Таким образом, этот аспект все еще требует дальнейшего обсуждения, при этом ключевым методом для такого исследования является синхротронная рентгеновская дифракция. Несмотря на ограниченную доступность и сложность эксплуатации и интерпретации данных, расширенные возможности синхротронного излучения (СИ) необходимы для точного определения фазового состава и наблюдения реакций в процессе лазерного наплавления, что дает возможность получить информацию, недостижимую при использовании лабораторных источников [11]. Этот подход позволяет сформировать представление о микроскопических и структурных изменениях, вызванных изменением температуры предварительного нагрева подложки.

Цель данного исследования ― изучить структурные изменения, происходящие в зависимости от температуры подложки, и продемонстрировать применимость модуля предварительного нагрева подложки для метода прямого лазерного выращивания.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В работе используется порошок сплава ВТ-6 марки НОРМИН (фракция 40–80 мкм). Была приготовлена порошковая смесь ВТ-6 с керамическими частицами B₄C (фракция 40–100 мкм) в массовом соотношении 9:1, с помощью V-образного смесителя, время смешивания 1 час. Нанесение порошковой смеси осуществлялось на титановую подложку из сплава ВТ-6 размером 50×50×5 мм.

Анализ микроструктуры и элементного состава проводился с использованием сканирующего электронного микроскопа Zeiss EVO MA 15 (Германия). Изображения порошковой смеси, полученные методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), показаны на рис. 1.

 

Рис. 1. Изображения компонентов порошковой смеси, полученные на электронном микроскопе: a ― сферический порошок ВТ-6; b ― керамические частицы B₄C.

Fig. 1. Electron microscope images of powder mixture components: a, spherical powder ВТ-6; b, ceramic particles B₄C.

 

Результаты элементного анализа компонентов порошковой смеси приведены в табл. 1.

 

Таблица 1. Химический состав компонентов порошковой смеси

Table 1. Chemical composition of powder mixture components

VT-6	Ti	Al		V	Other
Весовой %	87,91	6,73		3,23	0,14
Атомный %	79,23	10,77		2,74	0,11
B4C	B		C		Other
Весовой %	83,37		15,94		0,7
Атомный %	85,03		14,63		0,34

 

Метод прямого лазерного выращивания осуществлялся с использованием иттербиевого волоконного лазера IPG Photonics Co. мощностью до 3 кВт и длиной волны 1,07 мкм. Лазерный комплекс был интегрирован с 6-осевым манипулятором Fanuc 710i (Япония). В качестве транспортирующей и защитной среды использовался инертный газ аргон. В ходе эксперимента по лазерной наплавке был использован модуль предварительного нагрева подложки, разработанного в ИТПМ им. С.А. Христиановича СО РАН (диапазон рабочих температур 40–770 °C). В силу проведенной ранее серии экспериментов [10], для предотвращения горячего растрескивания, температура подложки установлена на значении 500 °С. В ходе эксперимента использовался единый энергетический режим, при котором мощность лазерного излучения P = 500 Вт, скорость сканирования V = 12 мм/с, диаметр пятна d = 2,7 мм, а массовый расход C = 12 г/с. На рис. 2 показана фотография экспериментальной установки и схема метода.

 

Рис. 2. Оборудование и принцип метода прямого лазерного выращивания: a ― комплекс для лазерной наплавки; b ― схема метода.

Fig. 2. Direct laser deposition equipment and principle: a, laser deposition unit; b, method diagram.

 

Микротвердость была измерена с помощью микротвердомера Wilson Hardness Tukon 1102 (США). Измерения проводились по высоте покрытия методом Виккерса с нагрузкой P = 300 г и временем выдержки t = 3 с. Каждая точка данных представляет собой среднее значение трех тестов на одной высоте. Нулевое значение высоты соответствует границе раздела подложка/покрытие, в то время как отрицательные значения высоты соответствуют измерениям на подложке.

Фазовый состав исследовали методом дифракции рентгеновских лучей с использованием синхротронного излучения на экспериментальной станции «Дифрактометрия в жестком рентгеновском диапазоне» 4-го канала накопительного кольца ВЭПП-3 в центре коллективного пользования «Сибирский центр синхротронного и терагерцового излучения» (СЦСТИ) на базе уникальной исследовательской установки (УРФ) «Комплекс ВЭПП-4 – ВЭПП-2000» Института ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук [12, 13].

Измерения проводились для образцов толщиной 1 мм, которые были вырезаны из поперечного сечения покрытия после эксперимента с лазерной наплавкой. Дифракционный эксперимент проводился в геометрии Дебая–Шеррера с использованием детекторной системы Mar345 (MarResearch, Германия) на синхротронной длине волны 0,3685±0,0006 Å при диаметре пучка 300 мкм и расстоянии от образца до детектора 246,1 мм. Время накопления дифракционной картины составило 10 минут. Двумерные рентгенограммы были получены с помощью программного обеспечения с открытым исходным кодом Area Diffraction Machine. Идентификация фаз проводилась путем сравнения отражений на полученных 1D-рентгенограммах с их теоретическими положениями, которые были определены на основе структурных данных в базе данных материалов Springer [14, 15].

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Микроструктурные исследования

В ходе эксперимента по лазерной наплавке были получены покрытия в соотношениях 9:1 высотой до 3 мм. Исследование микроструктуры проводилось с помощью методов сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). Изображения полученных покрытий представлены на рис. 3.

 

Рис. 3. СЭМ-изображения макро- и микроструктуры покрытий: a ― полученные без нагрева подложки; b ― полученные с нагревом подложки до 500 °C.

Fig. 3. Electron microscope images of macro- and microstructure of coatings: a, manufactured without substrate heating; b, manufactured with substrate heating to 500 °C.

 

В подтверждение теоретического прогноза композиты с использованием предварительного нагрева были получены без дефектов, о чем свидетельствуют изображения макроструктуры.

СЭМ-изображения при большем увеличении демонстрируют сходную микроструктуру с предварительным нагревом и без него (см. рис. 3, a и b соответственно). Частицы карбида бора в обоих случаях подвергаются растворению, как показано желтыми квадратами. Матрица также имеет аналогичную структуру, содержащую игольчатые и равноосные частицы.

Дифракционные исследования

Исследование было сосредоточено на изучении влияния предварительного нагрева подложки на структуру аддитивно выращенных покрытий Ti64/B4C. Представлены диаграммы 2θ для образца с одинаковыми энергетическими параметрами при различной температуре подложки.

Интенсивность пиков α-Ti высока по сравнению с β-Ti на всех дифракционных картинах (рис. 4), что соответствует заявленному составу сплава. Дифрактограмма показывает, что пики TiB2 имеют низкую интенсивность и уширение, что может свидетельствовать о низкой концентрации частиц в объеме, а также об относительно небольшом размере частиц. Более того, интенсивность пиков, соответствующих вторичным фазам TiB, TiC, TiB2, по-видимому, аналогична на рис. 4, a и b.

 

Рис. 4. Дифракционные картины образцов, полученных при температуре подложки: a ― 23°C; b ― 500°C.

Fig. 4. Diffraction images of samples obtained with substrate temperature: a, 23°C; b, 500°C.

 

Таким образом, очевидно, что дифракционные картины для сравниваемых образцов схожи. Этот факт важен, поскольку если нагрев подложки существенно изменит структуру композита, то этот метод вряд ли будет применим в процессе лазерного наплавления.

Микротвердость покрытий

Микротвердость ― это характеристика материалов, которая четко отражает наличие различных примесей в металлической матрице. Поскольку вторичные фазы, выявленные в ходе исследования, обладают повышенной микротвердостью по сравнению со сплавом Ti-64 (349 HV [16]), полученная металлическая матрица будет становиться более твердой в зависимости от концентрации вторичных фаз. На рис. 5 представлены данные микротвердости по высоте полученных покрытий.

 

Рис. 5. Распределение микротвердости по высоте покрытия.

Fig. 5. Microhardness distribution by coating thickness.

 

Распределения микротвердости по высоте не изменяются в зависимости от температуры предварительного нагрева подложки. Высокая концентрация вторичных фаз способствует повышению микротвердости металлической матрицы. Это согласуется с данными рентгеновской дифракции и сканирующей электронной микроскопии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

С помощью сканирующей электронной микроскопии было установлено, что микроструктура остается неизменной независимо от наличия или отсутствия предварительного нагрева.

Рентгеновская дифракция синхротронного излучения позволила получить дифракционные картины и данные о фазовом составе композитов. Общие дифракционные картины для образцов с предварительным нагревом подложки и без него были в значительной степени схожими.

Предварительный нагрев подложки оказывает незначительное влияние на микротвердость матрицы, что означает, что повышение температуры подложки не оказывает существенного влияния на интенсивность образования вторичной фазы.

В целом предварительный нагрев подложки оказал незначительное влияние на структуру металлокерамического композита, но позволил получить бездефектные покрытия, продемонстрировав эффективность этого метода для снижения внутренних напряжений. Полученные экспериментальные данные подтверждают применимость предварительного нагрева для лазерной наплавки.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. Все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией. Личный вклад каждого автора: И.С. Герцель — концепция и методология исследования, сбор данных, анализ и интерпретация данных, написание, редактирование и утверждение окончательной версии статьи; К.Э. Купер — подготовка эксперимента по дифракции синхротронного излучения, сбор данных, редактирование и утверждение окончательной версии статьи.

Источник финансирования. Работа выполнена в рамках государственного задания (№ 124021500015-1) ИТПМ СО РАН.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

ADDITIONAL INFO

Authors’ contribution. All authors made a substantial contribution to the conception of the study, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the article, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the study. Personal contribution of each author: I.S. Gertsel, conceptualization and methodology, data collection, data analysis and interpretation, writing, editing, and final approval of the manuscript; K.E. Kuper, preparation of the synchrotron diffraction experiment, data collection, editing and final approval of the manuscript.

Funding source. The research was carried out within the state assignment of Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (No. 124021500015-1) of the ITAM SB RAS.

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

Sobre autores

Ilya Gertsel

Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences; Novosibirsk State University

Autor responsável pela correspondência
Email: i.gertsel@g.nsu.ru
ORCID ID: 0009-0007-6617-6761
Código SPIN: 8745-5844

research engineer

Rússia, 4/1 Institutskaya st, Novosibrsk, 630090; Novosibirsk

Konstantin Kuper

Boreskov Institute of Catalysis, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: K.E.Kuper@inp.nsk.su
ORCID ID: 0000-0001-5017-6248
Código SPIN: 6006-8498

Cand. Sci. (Physics and Mathematics), senior research associate

Rússia, Novosibirsk

Bibliografia

Arquivos suplementares