Estudios mecánicos, microestructurales y de fractura en inconel 825

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 5321 (2023) Citar este artículo

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Este documento presenta un método novedoso que utiliza el proceso de fabricación aditiva de arco de alambre basado en transferencia de metal en frío para fabricar paredes de Inconel 825–SS316L graduadas funcionalmente. La micrografía óptica de Inconel 825 exhibe estructuras dendríticas continuas y discontinuas. La región SS316L comprende un 5 % de ferrita δ en las dendritas austeníticas primarias (γ), lo que fue confirmado por la relación Creq/Nieq de 1,305. La interfase graduada funcionalmente revela una zona parcialmente mixta con una transición de dendritas alargadas a dendritas equiaxiales finas. Las propiedades de tracción de la pared fabricada se determinaron a temperatura ambiente usando especímenes extraídos de Inconel 825, SS316L y las regiones de interfaz. La morfología de los especímenes sometidos a prueba de tracción reveló una deformación plástica significativa, lo que indica una falla dúctil. La tenacidad a la fractura de la pared se investigó experimentalmente empleando la prueba de desplazamiento de apertura de la punta de la grieta (CTOD). La morfología de la fractura exhibió un modo de fractura dúctil con estrías perpendiculares a la dirección de desarrollo de la grieta. El mapeo elemental reveló que no había evidencia de segregación elemental en las superficies fracturadas y que los elementos estaban uniformemente dispersos. El CTOD mide 0,853 mm, 0,873 mm en el lado Inconel 825 y el lado SS316L respectivamente. Los resultados de las pruebas confirman que tanto los lados de Inconel 825 como los de SS316L tienen buena tenacidad a la fractura.

A lo largo de la historia, la capacidad de comprender y manipular materiales ha sido fundamental para el avance de la tecnología. Los científicos e ingenieros de hoy comprenden el valor de los materiales novedosos en términos de economía y medio ambiente. Los materiales clasificados funcionalmente (FGM) son zonas sofisticadas y extremadamente funcionales en una pieza que exhibe un cambio constante en la composición elemental, lo que da como resultado propiedades mecánicas o térmicas novedosas y personalizadas1. La capacidad de desarrollar materiales con propiedades mejoradas que sean adecuados para una variedad de aplicaciones, incluidas la ingeniería aeroespacial, marina, nuclear y revestimientos protectores de alta temperatura, ha aumentado significativamente la atención a las mutilaciones genitales femeninas2. El tamaño y las características estructurales son dos factores que se pueden utilizar para clasificar los materiales de gradiente. Los gradientes pueden ser voluminosos o de sección delgada (como los revestimientos de superficies), que requieren distintas técnicas de procesamiento. Se separan en dos grupos: continuos y discontinuos, según la estructura. En materiales con gradientes discontinuos, la microestructura o composición química varía gradualmente y la interfase suele ser perceptible y observable. Por el contrario, en materiales con gradientes continuos, la composición química o la microestructura se alteran continuamente con la posición, lo que hace casi imposible percibir un límite definido como interfaz a través de la estructura graduada3.

Recientemente, muchos investigadores se han centrado en las mutilaciones genitales femeninas basadas en metales. Sobczak et al.4 discutieron los procesos de fabricación fundamentales para los MGF basados en metal. Domack et al.5 utilizaron tres técnicas de fabricación distintas para crear Inconel 718-Ti–6Al–4V FGM. Se informó que las muestras de deposición directa de metal por láser mostraron una notable segregación elemental y microestructuras dendríticas gruesas. Usando soldadura por transferencia de metal en frío, Tian et al.6 examinaron el comportamiento mecánico y microestructural de aleaciones diferentes de Ti–6Al–4 V y AlSi5 y encontraron una grieta en la capa de interfaz. Se originó en la capa de interfaz y se extendió hacia el lado de Al como resultado de la diferencia en la contracción de la aleación entre Al y Ti. Niendorf et al.7 informaron que la fusión selectiva por láser (SLM) se usa para fabricar piezas de acero inoxidable con una variedad de funcionalidades locales. Descubrieron que un gradiente microestructural pronunciado conduce a distintas propiedades mecánicas locales. Se ha demostrado que la deposición de energía dirigida podría utilizarse para fabricar FGM a partir de Inconel 625 y SS304L y que las características y los modelos termodinámicos de estos materiales han sido investigados por Carroll et al.8. Las aleaciones de Inconel son difíciles de trabajar porque tienden a endurecerse durante el procesamiento y se adhieren a las herramientas de corte9,10. Inconel825 y SS316L eran materiales austeníticos con alto contenido de cromo, lo que proporciona una excelente resistencia a la corrosión a alta temperatura11. El agrietamiento por solidificación puede ocurrir durante la soldadura por fusión de estos dos materiales. El proceso WAAM basado en transferencia de metal en frío (CMT) se puede utilizar para evitar este problema12. El proceso CMT es un proceso de soldadura por arco metálico con gas modificado que fue desarrollado en 2004 por Fronius International, Austria. Como su nombre lo indica, el WAAM basado en CMT es un proceso en el que se transfiere metal fundido con una entrada de calor muy pequeña para fabricar la pared. El sistema de automatización inteligente y un cabezal de soldadura con un controlador incorporado alejan el relleno del baño de fusión cuando hace contacto, transfiriendo mecánicamente el metal fundido, reduciendo así la cantidad de calor involucrada. Además, para aumentar la velocidad de enfriamiento, se instalan aletas de aluminio y ventiladores debajo del soporte del sustrato. Esto mejora la calidad de las piezas impresas. Además, el proceso WAAM basado en CMT proporciona un arco inquebrantable, una mayor estabilidad del proceso y una dilución limitada13. Por lo tanto, WAAM basado en CMT es un proceso de fabricación aditiva altamente especializado con un enorme potencial para la producción en masa debido a su mayor tasa de deposición, que permite una fabricación más rápida que cualquier otro proceso de fabricación aditiva.

La tenacidad a la fractura es una propiedad importante que indica qué tan resistente es a las grietas y estima la cantidad de tensión necesaria para propagar una falla que ya existe. Durante el procesamiento, la fabricación o el mantenimiento de un componente, los defectos no se pueden evitar por completo.

Se cree que el desplazamiento de apertura de la punta de la grieta (CTOD) es el criterio más importante para evaluar la tenacidad a la fractura de las soldaduras de acero. Leng et al.14 exploraron la correlación entre la tenacidad a la fractura y la morfología de las soldaduras S335G10 + N utilizando CTOD. Se ha encontrado que el CTOD se reduce a medida que aumenta el tamaño de grano promedio. Guo et al.15 experimentaron con diferentes regiones de soldaduras de 9Cr y Cr-Mo-V. Observaron que la tenacidad a la fractura del lado Cr-Mo-V era significativamente mayor que la del lado 9Cr. Wang et al.16 investigaron las características de ruptura y la morfología de soldaduras hechas de acero inoxidable A508 y 316L. Se informó una fractura dúctil que implicaba la nucleación, el crecimiento y la coalescencia de microporos. Además, se encontró que la trayectoria de fractura de las piezas soldadas estaba significativamente influenciada por la orientación de los cristales columnares de austenita en la pieza soldada. Li et al.17 investigaron las características de fractura de las soldaduras de Fe3Al y Cr18-Ni8. Se encontró que la apertura de la fisura se encuentra en el lado Fe3Al, el cual contiene un número significativo de deformaciones. Solo un pequeño número de grietas se ha extendido horizontalmente a la zona de fusión y ha terminado en la soldadura. La mayoría de las grietas han continuado extendiéndose a lo largo de la zona de fusión. Bao et al.18 investigaron el agrietamiento en un recubrimiento graduado funcionalmente. En sus estudios se exploró el impacto de la falta de homogeneidad de los materiales en los factores de intensidad de la tensión. El análisis CTOD se utilizó para evaluar la tenacidad a la fractura del material a temperatura ambiente utilizando el estándar BS7448, a pesar de varios otros métodos. El método J-Integral que emplea la integral de línea es desafiante y poco confiable. El método CTOD derivado del desplazamiento de la apertura de la boca de la grieta es más adecuado para calcular la tenacidad a la fractura19,20,21,22,23,24.

Aunque el WAAM basado en CMT es capaz de fabricar componentes sin defectos, estos pueden ocurrir durante su servicio en industrias como el transporte de petróleo y gas. Por este motivo, la evaluación del comportamiento a fractura de los componentes es crucial para garantizar su seguridad. No se ha informado sobre la resistencia a la fractura de las paredes FGM fabricadas con WAAM basado en CMT. Esta investigación tiene como objetivo evaluar el comportamiento de fractura de los muros clasificados funcionalmente de Inconel 825-SS316L fabricados con WAAM basado en CMT. Se analizó la microestructura, la morfología de la fractura y las inclusiones cerca de la zona de fractura de las paredes fabricadas para determinar su tenacidad a la fractura.

Inconel 825 tiene una estructura de austenita estable y contiene pequeñas cantidades de molibdeno, titanio y cobre. La composición elemental de la aleación está diseñada para funcionar en entornos extremadamente corrosivos. El alto contenido de níquel proporciona una amplia resistencia al agrietamiento por corrosión bajo tensión. El níquel, junto con el molibdeno y el cobre, actúa como barrera protectora al reducir la presencia de ácidos nocivos en el medio ambiente. El cromo proporciona resistencia a la corrosión ya los agentes oxidantes indeseables. El titanio estabiliza la aleación contra la sensibilización, lo que le permite resistir el deterioro intergranular. A temperaturas criogénicas, la naturaleza austenítica del SS316L evita la sensibilización [23, 24]. Las composiciones químicas de los electrodos de alambre utilizados en el proceso de fabricación se determinaron mediante espectroscopia y se resumen en la Tabla 1.

El muro construido en la Fig. 1 mide 160 mm de largo, 120 mm de ancho y 16 mm de espesor. Fue construido por transferencia de gotas de veinte capas de Inconel 825 seguidas de veinte capas de SS316L. La transferencia de gotas se logró utilizando alambres de relleno de 1,4 mm de diámetro. Cada capa se construye a una altura de 4 mm. En base a nuestro estudio previo25, se han seleccionado las variables del proceso CMT-WAAM (tabla 2).

Muro construido que muestra (a) altura (b) ancho (c) espesor.

El metal fundido se transfiere con un aporte de calor muy pequeño para formar la pared. Para aumentar la tasa de enfriamiento, se instalan aletas de aluminio y un ventilador debajo del soporte del sustrato. El procedimiento de construcción del muro fue completamente programado y llevado a cabo por un robot CMT totalmente automatizado que construyó el muro de forma continua sin interrupción. Como resultado, no hay tiempo de inactividad entre las capas que se construyen. El proceso se detuvo después de construir 20 capas de pared de Inconel 825 para cambiar el electrodo de alambre de Inconel 825 a SS316L. Antes de depositar el material SS316L, la capa superior de la pared de Inconel 825 se calentó con un soplete de gas hasta que estuvo al rojo vivo para garantizar una fuerte adhesión en la interfaz.

La microestructura de la pared depositada se examinó mediante microscopía óptica. La evaluación microestructural se realizó de acuerdo con la norma ASTM E3-11 (2017) de la American Society for Testing and Materials. Las muestras extraídas se expusieron a 10 ml de HCL y 3 ml de H2O2 durante 15 s. Para encontrar la relación de equivalencia Ni/Cr de las muestras de SS316L, se llevó a cabo el análisis EDS. El ensayo de tracción a temperatura ambiente se llevó a cabo de acuerdo con la norma ASTM E8 en las probetas cortadas en dirección vertical (Fig. 2a) utilizando la máquina de descarga eléctrica de corte por hilo (WEDM)26,27,28. La especificación de la muestra de tracción se muestra en la Fig. 2b.

(a) Ubicación de los especímenes de tracción (b) Especificación de los especímenes de tracción.

La evaluación de la tenacidad a la fractura se realizó mediante el ensayo CTOD, de acuerdo con la norma ASTM E1290-8929. Se prepararon dos especímenes cortando las paredes fabricadas a lo largo de la interfaz, uno con una muesca en la región de Inconel 825 (Fig. 3a) y el otro con una muesca en la región de SS316L (Fig. 3b).

Espécimen de tenacidad a la fractura con muescas en (a) Inconel 825 (b) SS316L.

La orientación L-T extrae más energía que cualquier otra orientación, lo que le otorga mayor tenacidad a la fractura. La muesca se corta paralela a la dirección del espesor de la muestra. La profundidad mecanizada de la muesca fue del 45% al 55% del espesor de la muestra y el ángulo de la muesca fue de 30°. Para confirmar que la prueba es independiente del efecto de la raíz de la muesca, se realizó una prueba previa al agrietamiento para producir una grieta desde la raíz de la muesca. . Para anular los efectos de la muesca durante el proceso de agrietamiento, la muesca maquinada debe ser lo suficientemente profunda y angosta para que no tenga un efecto de raíz de muesca en la formación de la grieta. Para minimizar el daño a la región circundante, se recomienda 30 WEDM para mecanizar la muesca. De acuerdo con la norma ASTM E-399, la fuerza terminal de prefisuración (Pf) utilizada para prefisurar la muestra se calcula utilizando la ecuación. (1)25.

donde S—lapso de carga (mm), B—espesor de la muestra (mm), σy—límite elástico, b = W − ao, donde W—profundidad de la muestra y ao—longitud de la muesca.

Las cargas de prefisuración terminal calculadas de 2,66 kN y 2,34 kN se aplicaron a las muestras de Inconel 825 y SS316L, respectivamente. La carga se logró a 2 mm/min. La longitud previa a la fisura en ambas muestras con muescas mide 2 mm. Después de pre-craquear la muestra, se llevó a cabo la prueba CTOD. El desplazamiento de la abertura de la punta de la grieta desde su posición original se determinó utilizando un calibrador de clip de boca de grieta. La curva PS se generó durante todo el procedimiento (donde P denota la carga aplicada y S denota el desplazamiento de la abertura de la punta de la grieta). Se utilizó análisis de microscopía electrónica de barrido (SEM) para investigar la superficie fracturada de las muestras. El mapeo elemental de espectroscopia de dispersión de energía (EDS) investiga la segregación elemental en las superficies fracturadas. Se realizó un análisis de barrido de línea EDS para determinar la presencia de intermetálicos o fases secundarias en la superficie fracturada.

La micrografía óptica de Inconel 825 (Fig. 4a) muestra dendritas celulares continuas y discontinuas. Ambas microestructuras exhiben la misma dirección de crecimiento y aparecen secuencialmente. En los límites de grano, hubo pocas fases secundarias. Debido a la composición de la aleación de Inconel 825, el desarrollo de carburos es inevitable a altas temperaturas. Al ser una solución sólida, se predijo que se producirían muchos precipitados de Ti (N, C) en Inconel 825. Como se trata de un proceso de transferencia de metal en frío, la posibilidad de formación de una fase secundaria es muy reducida31. A partir del análisis EDS de SS316L, se encontró que Creq/Nieq era 1,305. Esto confirma que el lado SS316L comprende un 5 % de ferrita δ en las dendritas austeníticas primarias (γ) (Fig. 4b)32,33.

Micrografía óptica de (a) Inconel 825 (b) SS316L (c) Interfaz.

La micrografía de la interfaz de pared graduada funcionalmente revela una zona parcialmente mixta (Fig. 4c). También muestra una transición microestructural de dendritas alargadas a dendritas equiaxiales finas. En la interfaz, ninguno de los defectos comunes como grietas, fusión parcial o deslaminación están presentes.

Las propiedades de tracción de las paredes fabricadas se determinaron usando los resultados de las pruebas de tracción como se muestra en la Fig. 5a,b. Las resistencias a la tracción de Inconel 825 y SS316L son comparables a las de las aleaciones forjadas34. Los valores máximos de desviación estándar (UTS:0.35% y YS:1.51%) son mucho más bajos, lo que confirma que los resultados del ensayo de tracción están dentro del límite aceptable.

Propiedades de tracción de Inconel 825, interfaz y SS316L tal como se depositaron (a) Valores medios (b) Desviación estándar con barra de error.

Las propiedades de tracción (UTS, YS y porcentaje de elongación) de la interfaz son ligeramente inferiores a las de Inconel 825 y SS316L. Esto puede deberse a la baja entrada de calor y a las velocidades de enfriamiento más rápidas del proceso CMT-WAAM que proporciona menos tiempo para que elementos como el Mo y el Cr se difundan, lo que da como resultado una mezcla parcial25.

La figura 6a-f muestra las micrografías SEM de la superficie fracturada durante la prueba de tracción. La Figura 6a–c revela el área de estrechamiento creada por la deformación plástica. La región del cuello de las muestras de Inconel 825, interfaz y SS316L se muestra con mayor aumento (Fig. 6d-f). En todos los especímenes se observó una gran cantidad de hoyuelos, lo que indica que la falla se debió a mecanismos dúctiles.

Superficie fracturada de (a) Inconel 825 (b) Interfaz (c) SS316L Vista ampliada de la región del cuello (d) Inconel 825 (e) Interfaz (f) SS316L.

El fractógrafo de tracción (Fig. 6d) de la muestra de Inconel 825 indica una forma de fractura dúctil fibrosa. La microscopía electrónica de barrido muestra la presencia de una fase laves agrupada y microhuecos a pesar de las características de tracción mejoradas. La fractografía de la interfaz (Fig. 6e) revela que hubo suficiente deformación plástica antes de la falla, lo que indica una fractura dúctil. Se observaron hoyuelos finos y pequeñas cavidades en el fractógrafo de la región SS316L (Fig. 6f) lo que confirma el modo de fractura dúctil. Los hoyuelos son aberturas poco profundas a diferencia de los vacíos. Los hoyuelos producidos por un proceso de coalescencia de microvacíos pueden ser extremadamente superficiales, con copas tan pequeñas como varios nanómetros35.

Se cortó una muesca en V en la dirección L-T ya que la muestra absorbe más energía cuando las grietas crecen en esa dirección. Los parámetros experimentales y los valores CTOD medidos se enumeran en la Tabla 3.

Los gráficos en la Fig. 7a, b muestran las curvas P-S de la muestra con muesca lateral Inconel 825 y la muestra con muesca lateral SS316L, respectivamente. En ambos especímenes, se alcanzó el valor máximo de carga, lo que resultó en una fluencia significativa y una extensión estable de la fisura. Los resultados de la Tabla 3 muestran que los valores de CTOD difieren solo ligeramente entre los dos especímenes. El valor máximo de carga a la fractura en el lado de Inconel 825 es un 18 % más alto que en el lado de SS316L. Esto se debe a la mayor concentración de níquel en Inconel 825 que mejora la tenacidad y la resistencia al refinar el tamaño del grano36. El valor CTOD en el lado SS316L es un 2,3 % más alto que el lado Inconel825, lo que indica una propagación de grietas relativamente más rápida en el lado SS316L. Los valores de tenacidad a la fractura de los muros son muy similares a los de las versiones fundidas de sus metales base (Inconel 825 y SS316L)37,38.

Curva de desplazamiento de apertura de punta de grieta (a) Inconel 825 (b) SS316L.

Las superficies de fractura de los especímenes con muescas de un solo borde (SENB) se investigaron mediante análisis SEM. La Figura 8a,b representa la vista macro de la superficie fracturada, que muestra las zonas previas a la fisura, el crecimiento estable de la fisura y la fractura final del espécimen Inconel 825 y el espécimen SS316L, respectivamente.

Imágenes SEM que muestran diferentes zonas de crecimiento de grietas (a) Inconel 825 (b) SS316L.

La Figura 9a,b muestra la estría en las trayectorias de fractura, que indican el crecimiento incremental de una grieta y la dirección en la que se propaga la grieta. Debido al complejo estado de carga en estos materiales, no es posible establecer una relación directa entre el espaciamiento de las estrías y el crecimiento de grietas en los FGM39. Cuando la muestra se carga al nivel de producir vacíos, las tensiones locales en la punta de la grieta ganan fortaleza. Los vacíos continúan expandiéndose y se conectan a la grieta primaria.

Micrografía SEM que muestra estrías (a) Inconel 825 (b) SS316L.

La Figura 10a,b muestra la morfología de la fractura dúctil de las muestras con muescas laterales, lo que indica que la nucleación y la formación de microvacíos se produjeron antes del inicio del proceso de apertura de grietas. La nucleación, el crecimiento y la coalescencia de microhuecos se pueden utilizar para caracterizar el mecanismo de crecimiento de grietas en materiales dúctiles.

Micrografía SEM de superficie de fractura rápida (a) Inconel 825 (b) SS316L.

El análisis EDS se llevó a cabo en la superficie fracturada de las muestras de Inconel 825 y SS 316L. Los mapas EDS (Fig. 11a-h) y los espectros (Fig. 12) de la región de Inconel 825 con muescas muestran una composición elemental general de 44 % en peso de Ni, 23 % en peso de Cr, 18 % en peso de Fe y otras aleaciones. El mapeo revela que la superficie fracturada está dominada por elementos como Ni, Cr y Fe sobre los demás elementos.

(a–h) Mapeo elemental EDS de la región fracturada de Inconel 825.

Espectro elemental EDS y cuantificación de la región Inconel 825.

De manera similar, los mapas EDS (Fig. 13a-h) y los espectros (Fig. 14) de la región SS316L con muescas muestran una composición elemental general de 16 % en peso de Ni, 18 % en peso de Cr, 46 % en peso de Fe y otras aleaciones. Se encontró que la composición de la pared fabricada es similar a la composición del metal base, lo que demuestra la fabricación eficaz de la pared graduada funcionalmente con buenas propiedades.

( a – h ) Mapeo elemental EDS de la región SS316L fracturada.

Espectro elemental EDS y cuantificación de la región SS316L.

Además, los mapas elementales confirman que no hubo evidencia de segregación elemental en las superficies fracturadas de las muestras de Inconel 825 y SS316L con muescas y que los elementos se disolvieron uniformemente, lo que confirma que los metales en la interfaz están fuertemente unidos.

El proceso WAAM basado en CMT se usa para construir muros clasificados funcionalmente, y las características de transferencia de metal indican el uso exitoso de WAAM para producir componentes estructuralmente sólidos. La tenacidad a la fractura de dos especímenes clasificados funcionalmente con muescas en los lados de Inconel 825 y SS316L se evaluó utilizando el método CTOD y la geometría del espécimen SENB. Se llega a las siguientes conclusiones:

La muestra fabricada en Inconel 825 tiene microestructuras dendríticas celulares tanto continuas como discontinuas, mientras que la muestra SS316L tiene austenita y 5% de ferrita delta en su microestructura.

Tanto el fractógrafo de tracción Inconel 825 como el SS316L revelaron una deformación plástica considerable, lo que indica un modo de fractura dúctil.

Los resultados del ensayo de tenacidad a la fractura muestran que no existe una diferencia considerable en los valores de CTOD (0,853 mm para el lado Inconel 825 y 0,873 mm para el lado SS316L).

Los valores de tenacidad a la fractura difieren por un margen significativo entre sí; Inconel 825 tiene una tenacidad a la fractura de 36 Mpa\(\sqrt {\text{m}}\), mientras que SS316L tiene una tenacidad a la fractura de 31,6 Mpa\(\sqrt {\text{m}}\).

La morfología de fractura de ambos especímenes con muescas laterales indica que se fracturaron en modo dúctil con estrías perpendiculares a la dirección de desarrollo de la grieta.

Según los hallazgos de la investigación, la interfaz de la pared Inconel 825-SS316L tiene buenas propiedades de fractura y se puede usar en entornos hostiles.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado.

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Descargar referencias

Departamento de Ingeniería Mecánica, Facultad de Ingeniería Panimalar, Universidad Anna, Chennai, Tamil Nadu, India

TS Senthil y M. Puviyarasan

Departamento de Ingeniería Mecánica, Facultad de Ingeniería Sri Venkateswara, Sriperumbudur, Tamil Nadu, India

S. Ramesh Babu

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TSS—Conceptualización, Metodología, Experimentación e Investigación. Redacción original (autor de correspondencia). SRB—Validación, Análisis Formal, Supervisión. MP: visualización, curación de datos, revisión y edición.

Correspondencia a TS Senthil.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Senthil, TS, Babu, SR y Puviyarasan, M. Estudios mecánicos, microestructurales y de fracturas en paredes graduadas funcionalmente de inconel 825–SS316L fabricadas mediante fabricación aditiva de arco de alambre. Informe científico 13, 5321 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-32124-3

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Recibido: 02 enero 2023

Aceptado: 22 de marzo de 2023

Publicado: 31 de marzo de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-32124-3

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