Lomové chování heterogenních materiálů vyrobených aditivními technologiemi

Ing. Daniel MELZER

Doctoral thesis

Abstract:

This thesis focuses on exploring functionally graded materials (FGMs) created through additive manufacturing, specifically combining stainless steel 316L with the nickel-based alloy Inconel 718. Utilizing the directed energy deposition method, this study achieves direct joining of these two distinct materials in powder form. The research involves producing three FGM variants, each with different fusion line orientations between the materials (horizontal, vertical, and inclined) and varying sequences of material deposition. The structural and mechanical properties of these modifications are meticulously analysed. A key finding is that the sequence of material layering significantly influences the evolution of the grain structure and the extent of material intermixing. Notably, a higher level of material mixture occurs when 316L is deposited onto Inconel 718. This variation in material ordering directly impacts the formation of defects, such as pores and solidification cracks, which predominantly arise in the mixed material zone. Furthermore, the study examines how the orientation of the fusion line between the dissimilar materials affects the mechanical properties, particularly in terms of tensile behaviour. The results demonstrate a decrease in mechanical performance as the fusion line's angle increases. In evaluating mechanical efficiency and structural integrity, the vertically oriented interface exhibited the poorest interface quality. This comprehensive investigation not only contributes to the understanding of FGMs in additive manufacturing but also offers valuable insights for component repair using AM, where deposition planes might deflect from ideal horizontal orientation.

Abstract:

Tato disertační práce se věnuje zkoumání funkčně gradovaných materiálů vytvořených aditivní technologií, kombinací korozivzdorné oceli 316L a niklové superslitiny Inconelu 718. Technologie přímé energetické depozice byla použita pro přímou metodu spojení dvou práškových materiálů. Výzkum obsahuje celkem 3 varianty FGM bloků, každý s rozdílnou orientací linie spojení mezi materiály (horizontální, vertikální a nakloněné) a rozdílným pořadím depozice. Byly zkoumány strukturní a mechanické vlastnosti těchto rozdílných variant. Klíčové nálezy odhalily důležitý vliv pořadí depozice materiálů na mikrostrukturální vývoj a úroveň materiálového promíšení. Zcela jednoznačně bylo pozorováno, že vyšší úroveň materiálového promíšení vzniká při depozici oceli na inconelovou slitinu. Proměnné pořadí depozice také významně ovlivňuje množství vzniklých defektů, jako jsou póry a solidifikační trhliny, které vznikají v zóně promíšení nebo její bezprostřední blízkosti. Studie dále detailně analyzuje vliv orientace linie spojení mezi rozdílnými materiály na mechanické vlastnosti. Na základě výsledků lze pozorovat jednoznačný pokles tahových vlastností s tím, jak roste náklon linie spojení. Z pohledu mechanických vlastností a strukturní integrity byla varianta se zcela vertikálně orientovaným rozhraním vyhodnocena jako ta nejméně kvalitní. Tento výzkum poskytuje znalosti ohledně aditivně vyrobených funkčně gradovaných materiálů a opravy komponent pomocí technologie DED, kde může docházet k odklonu deponované plochy od ideální horizontální orientace.

Keywords

Funkčně gradované materiály, aditivní výroba, přímá energetická depozice, korozivzdorná ocel 316L, Inconel 718, miniaturizované zkušební techniky

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 26. 3. 2024

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

• Supervisor: Doc. Ing. Jan Džugan, Ph.D.

University of West Bohemia

Faculty of Mechanical Engineering

Doctoral programme / field:
Manufacturing and Materials / Strojírenské technologie a materiály