[論文レビュー] Micro-cracking, microstructure and mechanical properties of Hastelloy-X alloy printed by laser powder bed fusion: as-built, annealed and hot-isostatic pressed

Hui Wang, Liu Chen+8 more|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 2020

Additive Manufacturing Materials and Processes参考文献 41被引用数 9

ひとこと要約

本研究は、アスビルド、アニール処理、およびホットイソスタティックプレス（HIP）処理状態のレーザー粉末床溶融法で製造されたハステロイ-Xの微小亀列、微細組織の変化、および機械的特性を調査している。熱力学的モデリングと熱計算を用いて、HIP処理が微小亀列および孔隙を効果的に除去し、再結晶化および析出強化によって延性（13%から20%へ）と引張強さ（965 MPaから1045 MPaへ）を顕著に向上させることを示している。

ABSTRACT

This study analyses literature data to identify optimised print parameters and assesses the consolidation, microstructure, and mechanical properties of Hastelloy-X printed by laser powder bed fusion. Effects of post annealing and hot-isostatic pressing (HIP) on the microstructure and mechanical properties are also revealed. The susceptibility to the solidification cracking and the as-built microstructure such as precipitation and chemical segregation were predicted by the calculation of thermodynamics phase diagrams. The distribution of solidification cracks throughout the builds was quantified for the as-built, annealed and HIP conditions. The assessment reveals the variation of crack density towards the bottom, top and free surface of solid builds. This distribution of cracks is found to be associate with the thermal gradient and thermal conductivity which were estimated by analytical thermal calculations. While the annealing and HIP both can alter the as-printed microstructure thanks to recovery and recrystallisation, the micro-cracks and pores were only successfully removed by the HIP. In addition to the removal, recrystallisation and precipitation in the HIP (stronger than in annealing), resulting in optimal mechanical properties including a substantial increase in elongation from 13% to 20%, significant improvement of ultimate tensile stress from 965 MPa to 1045 MPa with moderately high yield stress thanks to precipitation.

研究の動機と目的

• 文献調査および熱力学的分析を用いて、ハステロイ-Xの最適なレーザー粉末床溶融プロセスパラメータを特定すること。
• ビルド後アニール処理およびホットイソスタティックプレス（HIP）処理が微細組織および機械的挙動に与える影響を評価すること。
• 異なるビルド領域におけるアスビルド、アニール処理、HIP処理後の部品における亀列分布を定量化すること。
• 解析的熱的モデリングを用いて、亀列形成と温度勾配および熱伝導率の関係を特定すること。
• HIP処理が欠陥を除去し、機械的特性を向上させる有効性を特定すること。

提案手法

• 熱力学的相図計算を用いて、凝固亀列の感受性および析出、化学成分の不均一分布などの微細組織的特徴を予測した。
• 解析的熱的モデリングを用いて、ビルドにおける温度勾配および熱伝導率を推定し、亀列分布パターンの説明を行った。
• 電子顕微鏡およびX線回折を用いた微細組織の特徴付けにより、相の分布および欠陥密度を評価した。
• 引張試験を実施し、すべての処理状態における降伏強度、引張強さ、延性を評価した。
• アニール処理およびHIP処理を適用して、欠陥の進化および微細組織の回復を比較した。
• 印刷部品の底部、上面、自由表面における亀列密度を測定し、空間的変動を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レーザー焼結されたハステロイ-X部品の異なる領域（底部、上面、自由表面）における凝固亀列の分布はどのように変化するか？
• RQ2 温度勾配および熱伝導率は、アスビルド部品における微小亀列形成にどの程度影響を及えるか？
• RQ3 アニール処理またはホットイソスタティックプレス（HIP）処理により、添加製造されたハステロイ-Xの微小亀列および孔隙を効果的に除去できるか？
• RQ4 アニール処理およびHIP処理は、再結晶化、析出、および結晶粒の構造にどのように影響を与えるか？
• RQ5 HIP処理後の機械的特性、特に延性および引張強さの定量的向上はどの程度か？

主な発見

• 亀列密度は自由表面付近で最も高く、底部で最も低く、解析的モデリングで推定された温度勾配および熱伝導率の変動と相関していた。
• アニール処理により回復および再結晶化が進行したが、微小亀列および孔隙の除去には失敗した。
• ホットイソスタティックプレス（HIP）処理により、すべての微小亀列および孔隙が除去され、完全に密な微細組織が得られた。
• HIP処理により延性が13%（アスビルド時）から20%（HIP処理後）へと顕著に向上し、延性の向上が示された。
• 引張強さは965 MPa（アスビルド時）から1045 MPa（HIP処理後）へと向上し、析出強化による中程度の高い降伏強度を示した。
• 再結晶化および析出は、アニール処理された試料よりもHIP処理された試料で顕著に進行しており、優れた微細組織の精製が確認された。