Em comparação com a liga tradicional de alta entropia CrMnFeCoNi, a liga de alta entropia FeCoCrNiMn contendo carbono impressa em 3D exibiu excelente resistência à fluência em alta temperatura (ou seja, taxa de fluência e tensão limite minimizadas). A Universidade de Inha e o Instituto Coreano de Ciência de Materiais estudaram pela primeira vez o comportamento de fluência em alta temperatura de ligas de alta entropia contendo carbono de fusão em leito de pó a laser (LPBF) e explicaram a influência de carbonetos em nanoescala na resistência à fluência.
O pó CrMnFeCoNi HEA contendo carbono (doravante denominado C-HEA) continha 1,5% C e um tamanho médio de partícula de 23,7 μm. A velocidade de varredura da fusão em leito de pó a laser (LPBF) é de 600 mm/s, a potência é de 90W, a distância de varredura é de 0,08mm e a espessura da camada é de 0,025mm. Para estabilizar os subgrãos e formar partículas adicionais de carboneto em nanoescala, as amostras foram tratadas termicamente a 650 graus durante uma hora.
O teste de fluência em alta temperatura do LPBF C-HEA foi realizado sob uma tensão constante de 175–325 MPa a uma temperatura de 873 K (a estabilidade de temperatura de 0,2 K foi mantida durante o teste de fluência, como mostrado na Figura 1), e o teste de fluência da amostra O intervalo é 86,4 K. Para estabilizar a deformação por fluência, um teste de fluência de 259,2 ks foi realizado a 150 MPa, seguido por um teste de fluência em múltiplas etapas.
A Figura 2 mostra o espectro SEM – EDS e os resultados da análise EBSD do LPBF C – HEA. Descobriu-se que os elementos constituintes do LPBF C-HEA estão uniformemente distribuídos mesmo após o tratamento térmico, sugerindo que o LPBF e o tratamento térmico subsequente não afetam a uniformidade composicional do HEA em escala micrométrica. A Figura 2b mostra o mapa da figura do pólo inverso (IPF) do EBSD em baixa ampliação e revela que a liga possui uma estrutura de grão em camadas e não uniforme. Após o tratamento térmico, o tamanho médio de grão (AGS) não mudou significativamente e foi semelhante ao do as-built C – HEA. Observe que os resultados de EBSD e os padrões de XRD na Figura 2b confirmam que a presente liga tem uma única fase de FCC. O mapa IPF de alta ampliação mostra claramente limites de grão (GBs) altamente irregulares, o que melhora significativamente a fluência em alta temperatura inibindo o deslizamento do GB (Fig. 2C 1). Deslocamentos geometricamente necessários (GNDs) formam limites de grãos de baixo ângulo (LAGBs) dentro dos grãos (Fig. 2C), e a liga ainda exibe uma densidade GND extremamente alta após tratamento térmico a 650 graus.
A formação de contornos de grãos irregulares é vista principalmente nas partículas da segunda fase contidas em materiais metálicos, como superligas à base de níquel e ligas de magnésio. A formação de GBs irregulares devido ao efeito de fixação das partículas da segunda fase durante o crescimento do grão foi bem documentada .Em outras palavras, o tratamento térmico leva ao crescimento dos grãos, e as partículas da segunda fase inibem o crescimento dos grãos em áreas localizadas, resultando na aparência em zigue-zague do GB.No entanto, o tratamento de envelhecimento utilizado neste estudo não induziu nenhum crescimento de grãos, sugerindo que os limites de grão altamente irregulares nesta liga são causados pelas etapas de fusão e solidificação do LPBF. Em um relatório recente, materiais metálicos impressos em 3D com precipitação in situ também exibiram GB irregular. C-HEA as-built. Isso sugere que o efeito de fixação é causado pela alta densidade de carbonetos in-situ nos limites dos grãos durante o tratamento térmico cíclico, o que resulta em limites de grãos altamente irregulares.
A Figura 3a é a imagem ECC do LPBF C – HEA, mostrando a existência de subestruturas induzidas pela rede de deslocamento. A largura média medida dessas subestruturas é 534,2 ± 16,3 nm. precipita com discordâncias parcialmente reorganizadas. A Figura 3b mostra que há um grande número de carbonetos de tamanho nanométrico de formato irregular (setas brancas) na subestrutura limites.Imagens HAADF STEM e mapas EELS correspondentes foram adquiridos para entender melhor a heterogeneidade química dentro dos carbonetos, como mostrado na Fig. Os nanocarbetos são compostos principalmente de Cr e C, indicando que estes carbonetos são ricos em Cr.
4, em apoio a essas descobertas, diagramas de fase de equilíbrio calculados termodinamicamente para a composição química do LPBF C – HEA usando o software Thermo – Calc e uma versão atualizada do banco de dados TCFE2000. são formados principalmente na faixa de temperatura de 500–1000 graus, indicando que a fase Cr23C6 é o principal componente do LPBF C – HEA. Na literatura, os carbonetos Cr23C6 de CoCrFeMnNi HEA existem na escala de vários mícrons, e o teor de carbono é 1,3-1,8 at%. Em contraste, a liga contém carbonetos nanométricos mesmo após tratamento térmico, sugerindo que um subestrutura metaestável com alta densidade de discordâncias controla a formação de carbonetos nanométricos com distribuição uniforme. Enquanto isso, óxidos ricos em manganês também foram observados nos mapas EELS, e foram relatados como consistem em MnO em LPBF C – HEA. No entanto, o efeito de fortalecimento da fase MnO é baixo em relação ao Cr23C6; portanto, os carbonetos são considerados os principais contribuintes para a resistência neste estudo.
A Figura 5a mostra as curvas de fluência multinível de LPBF O – HEA, LPBF C – HEA e LPBF CrMnFeCoNi reforçadas com nanoóxidos. Em todas as faixas de tensão de fluência, LPBF C – HEA exibiu menor deformação por fluência (ou seja, maior resistência à fluência) do que os materiais de referência (LPBF CrMnFeCoNi e LPBF O – HEA). Além disso, em comparação com os resultados de fluência de LPBF CoCrFeMnNi, LPBF C – HEA exibiu a taxa de fluência mínima mais baixa em todas as faixas de tensão de fluência. Em particular, a uma tensão aplicada de 225 MPa, a taxa de fluência mínima do LPBF C – HEA é cerca de duas ordens de magnitude menor do que as ligas processadas convencionalmente. Isso significa que o tratamento térmico não apenas melhora muito as propriedades mecânicas à temperatura ambiente, mas também melhora a resistência à fluência em alta temperatura no HEA fabricado aditivamente, que contém carbono supersaturado induzido por solidificação rápida. Os pontos pretos para a fluência de etapa única na Fig. 5b indicam a boa confiabilidade e reprodutibilidade do teste de fluência em vários estágios.
Como mostrado na Figura 6, o comportamento de deformação por fluência em alta temperatura do LPBF C-HEA foi explorado examinando a microestrutura em grande escala usando o mapa de distribuição GND e o mapa IPF. Um estudo anterior do comportamento de fluência de HEAs CrMnFeCoNi equiatômicos encontrou um aumento significativo na deformação durante a fluência a 873 K, especialmente quando uma grande quantidade de tensão foi aplicada, sugerindo evolução microestrutural. No entanto, o gráfico IPF na Figura 6 mostra que nenhuma evolução microestrutural ocorreu na amostra de fluência com uma deformação por fluência de 7%, mesmo com uma tensão aplicada de 325 MPa. Além disso, como mostrado na Fig. 7a, subestruturas não observadas no mapa EBSD da amostra inicial apareceram na microestrutura de fluência. Isto indica que a microestrutura inicial única suprime o movimento de discordância e a evolução da microestrutura, e leva à excelente resistência à fluência do LPBF C-HEA. Conforme indicado pelas setas pretas na Figura 6, grãos ultrafinos com tamanho de ~ 2 μm foram observados em alguns regiões, que serão discutidas mais adiante.
Como mostrado na Figura 7a, mapa IPF de alta resolução de uma amostra de fluência. Os GBs severamente irregulares observados na microestrutura de fluência sugerem que carbonetos em nanoescala causam irregularidades severas no GB durante a deformação por fluência. deslizamento de limite, melhorando assim a resistência à fluência em altas temperaturas. Relatou que a maior resistência à fluência foi associada a taxas mais baixas de cavitação e propagação de trincas através de serrilhas GB. os limites de grão geralmente estão relacionados à interação entre os limites de grão e os precipitados de carboneto: 1) migração dos limites de grão entre grãos fixados e 2) influência do crescimento do carboneto. O LPBF C – HEA não apresentou qualquer crescimento de carbonetos após a deformação por fluência (Fig. 7c – d). Portanto, pode-se inferir que a formação de limites de grãos irregulares pode ser atribuída à migração dos limites de grãos entre partículas fixadas.
O perfil GND na Fig. 7b mostra os subgrãos na amostra de fluência. Embora a imagem ECC (Fig. 3a) mostre que a amostra inicial possui subestruturas decoradas com redes de discordâncias, pela observação EBSD, as subestruturas são indistinguíveis. Em contraste, as amostras de fluência continham claramente subgrãos com alta densidade GND, indicando que as deslocações acumuladas no limites de subestrutura, bem como limites de grão durante fluência em alta temperatura. Isso demonstra que os limites da subestrutura podem bloquear com sucesso o movimento de discordância, mesmo sob deformação por fluência em alta temperatura. Imagens ECC de alta ampliação suportam deslocamentos altamente acumulados nos limites do subgrão (Fig. 7c). Aqui, o mecanismo de fixação da rede e junções de deslocamento do HEA é explicado pelo efeito conjunto dos deslocamentos da floresta e do endurecimento da solução concentrada. subgrãos com alta densidade de GND após deformação por fluência, sugerindo que o mecanismo de fluência dos nanocompósitos LPBF HEA é um pouco diferente daquele do HEA deformado. examinar os grãos ultrafinos recristalizados nas amostras de fluência (Fig. 7d), que possuem baixa densidade de deslocamento interno e são confinados por carbonetos. Para materiais metálicos, a força motriz para a recristalização aumenta gradualmente com o aumento da temperatura. Porém, considerando que o LPBF C – HEA gera uma grande quantidade de precipitação, o que leva à pressão de fixação de Zenner, a recristalização é suprimida mesmo em alta temperatura. Portanto, o LPBF C – HEA não sofreu nenhuma evolução microestrutural, como recuperação e recristalização, sob deformação por fluência em alta temperatura após a aplicação de uma tensão de 325 MPa. Embora grãos ultrafinos recristalizados tenham sido observados em algumas regiões, eles foram confinados por grãos de tamanho nanométrico O exame cuidadoso da estrutura de deformação por fluência por ECCI e EBSD levou à conclusão de que subgrãos estáveis com uma rede de discordância e carbonetos de tamanho nanométrico retardam a recuperação e recristalização durante a deformação por fluência, enquanto fortalecem ainda mais a subestrutura induzida pela rede de discordância .
Resumo:
O processo de fabricação aditiva e subsequente tratamento térmico de CrMnFeCoNi HEA contendo carbono levam à formação não apenas de grãos heteroestruturados com subestruturas decoradas com redes de discordância, mas também de carbonetos uniformemente distribuídos nos limites dos grãos e subgrãos.
A resistência à fluência em alta temperatura do LPBF C-HEA é melhor do que a das ligas de alta entropia CrMnFeCoNi relatadas. A taxa de fluência do C-HEA é duas ordens de grandeza menor que a do HEA processado convencionalmente.
A observação microestrutural confirma que subgrãos estáveis induzem a formação de contornos de grãos extremamente irregulares, que fortalecem ainda mais os subgrãos e inibem a recristalização durante a fluência em alta temperatura, resultando em excelente resistência à fluência.
Palavras-chave: Pesquisa Aditiva, Fabricação Aditiva de Metal, Materiais Mana, Impressão 3D de Metal
