Mikrostrukturní stabilita materiálů připravovaných metodami AM

Abstract

Předložená práce se zabývá charakterizací mikrostruktury a mechanickými vlastnostmi slitiny AlSi9Cu3 vyrobené technologií laserového tavení prášku (LPBF). Ve stavu po výrobě slitina dosahuje Rp0,2 = 271 MPa, Rm = 494 MPa a A = 5,6 %, což výrazně převyšuje hodnoty odlévané varianty podle EN 1706:2010 (Rp0,2 = 160 MPa, Rm = 220 MPa, A = 1,5 %). Vzhledem k tomu, že je slitina v provozu často krátkodobě vystavena zvýšeným teplotám (až 250 °C), byly její vlastnosti hodnoceny i za těchto podmínek. Při 250 °C klesla pevnost v tahu přibližně o 55 % na 223 MPa, avšak i přesto byla pevnost vyšší než u odlitku. S cílem zvýšit teplotní stabilitu byla slitina modifikována 2 hm. % Ni, nicméně v důsledku slabé adheze mezi částicemi bohatými na Ni a matricí činila pevnost v tahu při 250 °C pouze 201 MPa. Současně byla detailně analyzována mikrostruktura slitiny pomocí technik SM, SEM, EDS, EBSD a STEM. Bylo zjištěno, že mikrostruktura je tvořena tavnými lázněmi o velikosti stovek m, zrny v řádu desítek m a jemnou buněčnou strukturou s rozměry jednotek m. Právě buněčná struktura, složená z buněk tuhého roztoku -Al s hranicemi obohacenými o Si, Cu a Fe, představuje hlavní mechanismus zpevnění a vysvětluje vyšší pevnost materiálu oproti odlitku, a to i při zvýšených teplotách. Mechanické vlastnosti slitiny AlSi9Cu3 lze dále ovlivnit tepelným zpracováním, přičemž při 160 °C dochází k precipitaci uvnitř buněk, což zlepšuje pevnost (Rp0,2 = 347 MPa, Rm = 520 MPa). Naopak kolem 300 °C se buněčná struktura rozpadá, což se projeví degradací vlastností. Celkově výsledky této práce ukazují, že slitina AlSi9Cu3 zpracovaná metodou LPBF představuje perspektivní materiál pro konstrukční aplikace, které mohou v budoucnu těžit z výhod této technologie.

The present work focuses on the microstructural characterization and mechanical properties of the AlSi9Cu3 alloy produced by laser powder bed fusion technology (LPBF). In the as-built condition, the alloy exhibits Rp0.2 = 271 MPa, Rm = 494 MPa, and A = 5.6 %, which significantly exceeds the values of the cast variant according to EN 1706:2010 (Rp0.2 = 160 MPa, Rm = 220 MPa, A = 1.5 %). Since the alloy is often temporarily exposed to elevated temperatures (up to 250 °C) in service, its properties were also evaluated under these conditions. At 250 °C, tensile strength decreased by about 55 % to 223 MPa; however, it still remained superior to the casting. To improve thermal stability, the alloy was modified with 2 wt.% Ni. Nevertheless, due to weak adhesion between Ni-rich particles and the matrix, the tensile strength at 250 °C reached only 201 MPa. At the same time, the microstructure of the alloy was thoroughly analyzed using SM, SEM, EDS, EBSD, and STEM techniques. The microstructure consists of melt pools with dimensions of several hundred m, grains of tens of m, and a fine cellular structure of a few m. This cellular structure, formed by -Al solid solution cells with boundaries enriched in Si, Cu, and Fe, represents the main strengthening mechanism and explains the superior strength compared to the casting, even at elevated temperatures. The mechanical properties of AlSi9Cu3 can be further tailored by heat treatment. At 160 °C, precipitation occurs inside the cells, improving the strength (Rp0.2 = 347 MPa, Rm = 520 MPa). In contrast, around 300 °C the cellular structure disintegrates, leading to property degradation. Overall, the results demonstrate that AlSi9Cu3 processed by LPBF is a promising material for structural applications that could benefit from the advantages of additive manufacturing.