Bimetallic Additive Manufacturing of IN718-CuAl7 for Tailored Functionalities - A Study in Mechanical Properties and Microstructural Features

Abstract

Additiv produksjon, også kjent som 3D-printing, av multimaterialdeler har vist seg å være verdifullt for å løse ingeniørproblemer sammenlignet med tradisjonelle produksjonsprosesser og énmaterialkomponenter. Ved å inkludere to eller flere legeringer kan de ønskede iboende egenskapene fra hvert material kombineres for å produsere komponenter med skreddersydd funksjonalitet. Innen romfartsapplikasjoner er det stort behov for komponenter med høy ytelse som tåler tøffe miljøer og sterke påsatte krefter. Inconel 718 har blitt mye brukt i romfartsindustrien fordi det er en sterk legering med høy kjemisk- og utmattelsesbestandighet, også ved høy temperaturer. På den annen side fører den lave termiske ledningsevnen til Inconel 718 til uønsket høy akkumulasjon av varme. Aluminiumbronser, i dette tilfellet CuAl7, har høy termisk ledningsevne, noe som gjør legeringene egnet for kjølingsapplikasjoner. Disse to materialene kan kombineres for å oppnå forbedrede egenskaper som er ønskelige i høytytende applikasjoner, for eksempel rakettdyser som utsettes for ekstreme temperatur- og trykkforhold. Additiv produksjon med laser og metalltråd tilbyr kostnadseffektiv og ren materialbehandling i tillegg til høy deponeringshastighet sammenlignet med andre additive produksjonsmetoder. Denne metoden er basert på en lag-for-lag-prosessteknikk og gir sterke metalliske bindinger mellom lagene, noe som er viktig for den mekaniske ytelsen til den ferdigstilte komponenten.

Det 3D-printede materialet ble undersøkt ved hjelp av lysmikroskopi og skanning- elektronmikroskop. Tilbakespredte elektron-bilder (backscatter electron imaging), energidispersiv spektroskopi (energy despersive spectroscopy) og elektron-tilbakespredningsdiffraksjon (backscatter electron diffraction) ble brukt for karakterisering av mikrostruktur. Høy grad av sammensmelting med sterk metallurgisk binding ble oppnått i det bimetalliske grensesnittet som resultat av god kompatibilitet mellom materialene. Ekviaksede nikkelrike dendritter, intermetalliske faser og ulike typer partikler dannet seg i og rundt grensesnittet, inkludert Laves-fase og kappafaser.

De mekaniske egenskapene til det printede materialet ble testet ved hjelp av hardhetstesting og strekktesting i ulike retninger. Bruddflatene til strekkprøvene ble undersøkt for å avdekke bruddegenskaper og for duktilitetsmålinger. Inconel 718 viste høye styrkeverdier, mens CuAl7 viste lav styrke, høye duktilitetsverdier og ekstraordinær arbeidsherding. Prøvene som ble hentet ut fra grensesnittet viste lave verdier for uniform tøyning, bruddtøyningsverdier som de for CuAl7 og en styrke tilsvarende en mellomverdi av de to rene materialene. Hardheten i det bimetalliske grensesjiktet ble målt til å være opptil 400 HV0.5, mens hardheten for Inconel 718 og CuAl7 var henholdsvis 300 HV0.5 og 100 HV0.5. Ulike styrkemekanismer ble vurdert, inkludert partikkelbidrag, tvillingdannelser (twinning) og deformasjonsherding, med utspring fra mikrostrukturelle egenskaper.

Additive manufacturing, also known as 3D printing, of multi-material parts has proved to be valuable in solving engineering problems compared to traditional manufacturing processes and single-material parts. By including two or more alloys the desired intrinsic properties from each material can be combined to produce parts with tailored functionalities. In aerospace applications, high-performance components are needed to withstand harsh environments and strong forces. Inconel 718 has been widely used in the aerospace industry as it is a high-strength material, also at elevated temperatures, with high chemical and fatigue resistivity. However, the poor heat conductivity of Inconel 718 results in unwanted high heat accumulation. Aluminium bronzes, in this case, CuAl7, exhibit high thermal conductivity, making them suitable for cooling applications. These two materials can be combined to possess improved properties, desirable in high-performance applications such as rocket nozzles experiencing extreme temperature and pressure conditions. Additive manufacturing by laser metal wire deposition offers cost-efficient and clean material processing in addition to high deposition rates compared to other additive manufacturing techniques. It is based on a layer-by-layer deposition method and provides strong metallic interlayer bonding, important for the mechanical performance of the manufactured part.

The as-deposited material was investigated in light optical microscopy and scanning electron microscopy. Backscatter electron imaging, energy dispersive spectroscopy and electron backscatter diffraction was utilized for the microstructural characterization. The bi-metallic interface showed good fusion with strong metallurgical bonding and the two materials exhibited high compatibility. Equiaxed nickel-rich dendrites, intermetallic phases and various types of particles formed in and around the boundary, including Laves phase and kappa phases.

The mechanical properties of the as-deposited material were tested by tensile tests with different orientations and hardness tests. The fracture areas of the tensile specimens were examined to reveal fracture properties and for ductility measurements. Inconel 718 demonstrated high strength values while CuAl7 exhibited low strength, high ductility values and extraordinary strain hardening. The samples obtained from the interface showed low uniform strain values, fracture strain values as that for CuAl7 and a strength between that of the two distinct materials. The hardness at the bimetallic boundary was seen to be up to 400 HV0.5, while that of Inconel 718 and CuAl7 was 300 HV0.5 and 100 HV0.5, respectively. Different strengthening mechanisms were considered, including twinning, particle strengthening and deformation hardening, stemming from the microstructural features.