[論文レビュー] Effect of homogenization on precipitation behavior and strengthening of 17-4PH stainless steel fabricated using laser powder bed fusion

Kun Li, Soumya Sridar+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2021

Additive Manufacturing Materials and Processes被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、レーザー粉末床溶融法で製造された17-4PHステンレス鋼の析出行動および機械的特性を最適化するために、1050 °Cで均質化処理を異なる時間行い、その後482 °Cで1時間間加熱処理する後処理を実施した。1時間の均質化処理によりマルテンサイトおよび遷移オーステナイトの結晶粒が微細化され、不整合なε-Cu析出相が溶解し、共格性の高いCuを富含むクラスタの再析出が可能になった。その結果、従来処理された17-4PH鋼を上回る引張り強度と延性が達成された。

ABSTRACT

Effective post-heat treatment is critical to achieve desired microstructure for high-performance in additively manufactured (AM) components. In this work, the influence of homogenization on microstructure-property relationship in 17-4PH steels has been investigated. Precipitation of NbC, oxides, and ε-Cu were observed in the as-built 17-4PH steels. To design an optimum post-heat treatment, homogenization was performed at 1050oC for different times followed by aging at 482oC for 1 hour. It was identified that homogenization for 1 hour followed by aging leads to the best combination of strength and ductility due to the refinement of martensite and prior austenite grains. Improved tensile properties were achieved for the post-heat-treated alloys that exceeded the traditionally fabricated 17-4PH steels. Through comprehensive microstructure characterization, it was deduced that the incoherent ε-Cu precipitates in the as-built alloy were dissolved through homogenization, and subsequently, re-precipitated as coherent Cu-rich clusters during aging. This study demonstrates that altering the precipitation behavior using post-heat treatment is an effective pathway to significantly improve the mechanical properties of AM alloys.

研究の動機と目的

• 添加的製造された17-4PHステンレス鋼における均質化処理の析出行動に及ぼす影響を理解すること。
• 微細組織の精製と機械的性能の向上を図る最適な後処理パラメータを同定すること。
• 制御された熱処理により、従来処理された17-4PH鋼を上回る引張り特性を実現すること。

提案手法

• 17-4PHステンレス鋼部品の製造にレーザー粉末床溶融法（LPBF）を用いた。
• 不整合な析出相を溶解するために、1050 °Cで0.5、1、2、および4時間の均質化処理を実施した。
• その後、482 °Cで1時間間加熱処理を行い、強化相の再析出を促進した。
• 微細組織は、電子線回折（EBSD）、透過電子顕微鏡（TEM）、およびエネルギー分散型X線スペクトロスコピー（EDS）を用いて評価した。
• 引張試験を実施し、降伏強度および延えい率などの機械的特性を評価した。
• 熱処理条件に応じたNbC、酸化物、およびε-Cu相の変化を追跡することで、析出行動を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1050 °Cでの均質化処理時間の違いが、LPBFで製造された17-4PH鋼の微細組織の進化にどのように影響するか？
• RQ2 均質化処理が不整合なε-Cu析出相を溶解させ、加熱処理中に共格性の高いCuを富含むクラスタの形成を可能にする役割は何か？
• RQ3 マルテンサイトおよび遷移オーステナイトの結晶粒の微細化が、後処理を施した17-4PH鋼の引張り特性にどのように影響するか？
• RQ4 均質化と加熱処理による後処理により、従来処理された17-4PH鋼の機械的性能を上回ることは可能か？
• RQ5 添加的製造された17-4PH鋼における析出行動と、その結果得られる強度-延性バランスの関係は何か？

主な発見

• 1050 °Cで1時間の均質化処理を行い、その後482 °Cで1時間間加熱処理した条件が、強度と延性の最適なバランスを達成した。
• 微細化されたマルテンサイトおよび遷移オーステナイトの結晶粒構造が、引張り特性の向上と直接関連していた。
• 製造直後の状態に存在する不整合なε-Cu析出相は、1時間の均質化処理で完全に溶解した。
• 加熱処理中に共格性の高いCuを富含むクラスタが再析出しており、強化に顕著な寄与を示した。
• 後処理を施したLPBFによる17-4PH鋼の引張り強度および延えい率は、従来処理された17-4PH鋼を上回った。
• 包括的な微細組織分析から、均質化処理が不整合な析出から共格性の高い析出への移行を可能にし、機械的性能の向上を実現することが確認された。