Rendimiento del cable a alta temperatura

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

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Al desarrollar 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 altas temperaturas. El material depositado se probó tanto en la condición depositada como después de un tratamiento térmico de endurecimiento por envejecimiento estándar de la industria para esta aleación. Los resultados mostraron un rendimiento reducido en ambas condiciones de depósito, y el material tratado térmicamente superó significativamente al 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 la 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) por deposición de energía dirigida (DED). Este estudio se centra en DED por arco de alambre, también conocido como fabricación aditiva de alambre + arco (WAAM); donde se utiliza un arco eléctrico para depositar una materia prima de alambre1, y donde las tasas de deposición son un orden de magnitud mayor que 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 importantes reducciones de costes respecto a la fabricación convencional mediante el ahorro de material y con plazos de entrega muy reducidos. Además, acelerará enormemente el desarrollo de nuevos diseños, ya que los prototipos podrán fabricarse más rápidamente y de forma más rentable. Este artículo explorará el efecto que tiene el proceso WAAM sobre las propiedades de tracción a alta temperatura del 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 temperaturas más altas, resistencia a la fluencia y buena vida a la fatiga hasta 650 °C2.

En un estudio previo realizado por James et al., entre otras aleaciones, se realizó una investigación sobre las propiedades de tracción a temperatura ambiente y la macroestructura del DED IN718 con arco de alambre. Descubrieron que las aleaciones endurecidas por envejecimiento depositadas (AD) tenían un rendimiento significativamente inferior en comparación con su resistencia labrada declarada en la literatura3,3. Se ha demostrado que el tratamiento térmico del DED IN718 con arco de alambre mejora las propiedades de tracción, Seow et al. informaron 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 altas temperaturas 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, lo que, según dicen, se debe al comportamiento frágil de la fase de Laves, que actúa como una fractura preferida. camino5. El trabajo de Lan et al. también informa la formación de la fase Laves entre los brazos dendríticos y su asociación con el agrietamiento8. 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 láser DED, Li et al. descubrieron 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 menor en comparación con el material depositado. También descubrieron que el DED láser asistido por rodadura mejoraba las propiedades de tracción del IN7189.

Para comprender con más detalle el efecto que tiene el proceso WAAM en las propiedades de tracción a alta temperatura del AD y del IN718 tratado térmicamente para una aplicación de vuelo de alta velocidad, las pruebas se realizaron a temperatura ambiente (RT—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 de Inconel 718 (IN718) de 1,2 mm de diámetro. La configuración experimental incluyó: un sistema CNC lineal de tres ejes, una fuente de energía de plasma Migatronic de 320 A CA/CC, una antorcha de plasma enfriada 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 alambre de 1,8 m/min, una velocidad de desplazamiento de la antorcha de 5 mm/seg, una distancia antorcha a trabajo de 8 mm y, finalmente, una distancia entre la antorcha y el trabajo de 8 mm. tras aprox. 3 min de enfriamiento.

Después de la deposición, se extrajeron muestras para pruebas de la pared WAAM construida y se fabricaron en especímenes de tracción. Antes de las pruebas, la mitad de las muestras se sometió 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 consistió en solución durante una hora a 970 °C, seguido de enfriamiento con agua, luego un proceso adicional de envejecimiento durante ocho horas a 718 °C, después del cual las muestras se dejaron enfriar dentro del horno a 620 °C donde fueron detenido durante ocho horas más. 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 depositadas (AD) como tratadas térmicamente (HT). condiciones. Las pruebas de tracción cumplieron con ASTM E8(M) para pruebas de RT y E21 para pruebas de 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. Las muestras a alta temperatura se mantuvieron durante 30 minutos a la temperatura de prueba, antes de comenzar la prueba. Se extrajeron muestras de varios lugares de la pared WAAM para minimizar la variación en los resultados debido a cualquier efecto de envejecimiento en la aleación del proceso WAAM.

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

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

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

El rendimiento mecánico en el rango de temperaturas se proporciona en la Tabla 1 y en la Fig. 4. Los resultados se presentan junto con los valores bibliográficos 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 por detrás del estado forjado.

Representación gráfica de los datos presentados en la Tabla 1. UTS (izquierda), YS (derecha). (Color impreso).

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

Cuando se prueban 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. 86% del material forjado tanto para muestras AD como HT, se cree que esto se debe a cambios menores en la composición química que ocurren durante el tratamiento térmico, como lo discuten Parveen y Murthy10. Esto podría ser cierto tanto para muestras AD como HT debido al efecto de envejecimiento causado por el proceso WAAM, como lo observaron anteriormente 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. Se observa mucha más precipitación 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 cadenas que se ven en las dendritas, y cuando la aleación ha sido sometida a un tratamiento térmico, estos precipitados se ven rodeados por precipitados en forma de agujas en un patrón de Widmanstätten-Thomson, que se entiende que son Laves. rodeado por una fase acicular δ, que también fue reportada por Xu et al. en IN718 producido por arco DED13. También se observó una cantidad significativa de agrietamiento tanto en condición AD como 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 térmicamente precipita una fase acicular localmente (Fig. 7). La precipitación de estas fases aciculares se puede ver con mayor detalle en SEM, presentado en la Fig. 8.

Microestructura AD y HT. AD izquierda, HT derecha.

Fases secundarias en el borde de la grieta en condición HT.

Vista SEM de 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 causando grietas durante la solidificación, lo que sin duda es un factor que contribuye al déficit en el rendimiento observado frente a los valores forjados.

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

Como se sugirió anteriormente, se cree que las pruebas a temperatura elevada han provocado 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 cumplen con 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 en cada temperatura probada. Se puede observar claramente en la microestructura la precipitación de fases a 760 °C así como la formación de fases aciculares tras el ensayo a 1000 °C.

Microestructura detrás de la superficie de fractura de muestras probadas con AD que muestra el efecto de envejecimiento de las temperaturas de prueba.

El depósito de IN718 utilizando DED por arco de alambre afecta el rendimiento de tracción. Los materiales AD y HT alcanzan el 40 y el 60% del UTS forjado respectivamente en el rango de RT—538 °C.

El tratamiento térmico del material AD utilizando el tratamiento estándar de la industria aumenta el rendimiento pero no produce un aumento del rendimiento forjado.

Las pruebas del material AD a 760 °C conducen a un aumento en el rendimiento debido al efecto de envejecimiento durante la prueba.

La DED por arco de alambre provoca grietas por solidificación en IN718, donde se encuentran fases secundarias en los bordes de las grietas.

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 a través del autor correspondiente a solicitud 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 continuos: el Sr. Graham Simpson y el Dr. Matthew Lunt.

Este trabajo fue financiado por el Laboratorio de Ciencia y Tecnología de Defensa del 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, curación de datos, redacción (borrador original), visualización. SG: redacción (revisión y edición), supervisión, adquisición de financiación. GP, Redacción (revisión y edición), supervisión. Todos los autores dan su consentimiento a 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 aditivo de arco de alambre fabricado con Inconel 718. Sci Rep 13, 4541 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-29026-9

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Recibido: 22 de noviembre de 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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