Мультимодальный подход к эволюции микроструктуры и механической реакции магниевого сплава AZ31B, осажденного с помощью трения с перемешиванием.

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 13234 (2022) Цитировать эту статью

2781 Доступов

5 цитат

Подробности о метриках

В текущей работе исследовалось твердотельное аддитивное производство сплава AZ31B-Mg с использованием аддитивного осаждения трением с перемешиванием. Аддитивным способом были изготовлены образцы с относительной плотностью ≥ 99,4%. Пространственная и временная эволюция температуры во время осаждения аддитивного трения с перемешиванием была предсказана с использованием многослойной вычислительной модели процесса. Эволюцию микроструктуры в образцах, изготовленных аддитивным путем, исследовали с помощью дифракции обратного рассеяния электронов и просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения. Механические свойства образцов добавок оценивали с помощью неразрушающей эластографии эффективного объемного модуля и разрушающего испытания на одноосное растяжение. В образцах, полученных аддитивным способом, наблюдалась эволюция преимущественно базовой текстуры на верхней поверхности и незначительное увеличение размера зерен по сравнению с исходным сырьем. Просвечивающая электронная микроскопия пролила свет на мелкомасштабное осаждение Mg\(_{17}\)Al\(_{12}\) в образцах исходного сырья и добавок. Доля Mg\(_{17}\)Al\(_{12}\) снижена в образцах, полученных аддитивным способом, по сравнению с исходным сырьем. Объемный динамический модуль образцов добавки был несколько ниже, чем у исходного сырья. Наблюдалось снижение на \(\sim\,\) 30 МПа испытательного напряжения на 0,2% и снижение предела прочности на разрыв на 10–30 МПа для образцов, полученных с применением добавок, по сравнению с исходным сырьем. Удлинение образцов добавки было на 4–10% ниже, чем исходного сырья. Такая реакция свойств на сплав AZ31B-Mg, нанесенный с помощью аддитивного трения с перемешиванием, была реализована посредством четкой термокинетической эволюции многомасштабной микроструктуры.

Сплавы магния находят применение в автомобильной, аэрокосмической и биомедицинской промышленности благодаря высокой удельной прочности, обусловленной низкой плотностью этих материалов1,2,3,4,5. Сплавы магния также обладают превосходной биосовместимостью6,7 и способностью экранировать электромагнитное излучение8. Однако сплавы Mg имеют тенденцию к окислению во время литья и приобретают прочную текстуру во время деформации, что накладывает ограничения на обработку сплавов Mg с использованием традиционных методов, таких как литье и холодная обработка4,9. Поэтому исследователи изучали стратегии преодоления этих ограничений, используя такие направления аддитивного производства (AM), как аддитивное производство с использованием лазерного луча (LBAM), аддитивное производство с проволочной дугой (WAAM) и аддитивное осаждение трением с перемешиванием (AFSD)10,11,12. Методы LBAM и WAAM основаны на плавлении исходного материала в виде порошка или проволоки. Методы LBAM и WAAM зависят от плавления и консолидации материала-прекурсора. С другой стороны, AFSD является твердотельным методом. Исходный материал, используемый при AFSD, имеет форму стержней или стружки, которые доступны в продаже, без использования порошка13. Это особенно важно для магния, поскольку его порошок обладает высокой пирофорностью14.

AFSD работает по принципу, аналогичному обработке трением с перемешиванием (FSP). Однако вместо цельного инструмента, используемого при FSP, при AFSD используется полый неплавящийся инструмент. Исходный материал подается через полый вращающийся инструмент, который пластически деформируется из-за тепла трения, генерируемого между инструментом, загружаемым материалом и подложкой. Такое трение приводит к размягчению загружаемого материала с последующим его выдавливанием под инструмент. Затем инструмент перемещают для последующего нанесения слоя. В последнее время AFSD получила развитие благодаря разработке машин AM, таких как MELD®. Он способен производить полностью плотные крупные детали со сложной геометрией15,16. С помощью АФСД исследованы АМ обычных черных17 и цветных18,19,20 сплавов.

До настоящего времени было опубликовано очень мало отчетов, касающихся AFSD магниевых сплавов21,22,23. Работа Калверта продемонстрировала успешное осаждение сплава WE43 Mg с помощью ASFD, но не смогла объяснить эволюцию микроструктуры в зависимости от характеристик процесса21. Робинсон и др. ал. продемонстрировали AFSD AZ31B-Mg и исследовали эволюцию микроструктурных, а также механических свойств22. Результаты испытаний на растяжение показали, что для AZ31B-Mg, обработанного AFSD, произошло снижение условного напряжения на 0,2% (0,2% PS) на \(\sim\) на 20% и идентичный предел прочности при растяжении (UTS) по сравнению с деформируемым материалом AZ31B-Mg. . Эта работа предоставила ограниченное объяснение и обоснование такого снижения механических свойств. В другой попытке Williams et. ал. нанес сплав WE43 Mg с помощью AFSD23. Хотя эти авторы сообщили о \(\sim\) 22-кратном уменьшении размера зерна для материала, изготовленного AFSD, по сравнению с исходным сырьем, они все же наблюдали \(\sim\) уменьшение на 80 МПа при 0,2% PS, \(\sim \) Снижение UTS на 100 МПа и снижение удлинения на 11% по сравнению с исходным материалом. Хотя в этой работе исследовались различные условия обработки во время AFSD, в ней отсутствовало физическое объяснение эволюции структуры и свойств в сплаве AFSD WE43 Mg.