הפקה של רצועות יחיד של Ti-6Al-4V על-ידי האנרגיה התצהיר כדי לקבוע את עובי השכבה עבור התצהיר מרובת שכבות
Summary
במחקר זה, שיטה מהירה מבוסס על אפיון בריכה להמיס מפותחת כדי להעריך את עובי השכבה של רכיבי Ti-6Al-4V המיוצר על ידי אנרגיה מכוונת התצהיר.
Abstract
ביים אנרגיה התצהיר (DED), שהוא שיטת הייצור מוספים, כולל הקמת בריכה מותכת עם קרן לייזר שבו מוזרק אבקת מתכת כמו חלקיקים. באופן כללי, בטכניקה זו משתמשים לפברק או לתקן מרכיבים שונים. בטכניקה זו, המאפיינים הסופי מושפעות מגורמים רבים. אכן, הוא אחד מתפקידיו העיקריים בבניית רכיבים מאת DED אופטימיזציה של תהליך הפרמטרים (כגון עוצמת הלייזר, מהירות לייזר, מיקוד, וכו ‘) אשר מתבצע בדרך כלל באמצעות חקירה נסיונית נרחב. אולם, זה סוג של ניסוי הוא ארוך ויקר מאוד. לכן, על מנת להאיץ את תהליך אופטימיזציה, חקירה נערך לפתח שיטה המבוססת על אפיוני בריכה להמיס. למעשה, בניסויים אלה, רצועות יחיד של Ti-6Al-4V הופקדו על ידי תהליך DED עם צירופים מרובים של לייזר עוצמה ומהירות לייזר. מורפולוגיה של פני השטח ואת הממדים של רצועות יחיד נותחו, מאפיינים גיאומטריים של בריכות להמיס הוערכו לאחר ליטוש ו תחריט של חתכים. מידע שימושי לגבי הבחירה של האופטימלית תהליך פרמטרים יכולה להיות מושגת על ידי בחינת התכונות בריכה להמיס. ניסויים אלה להיות מורחבות כדי לאפיין את רחובות גדולות יותר עם מספר שכבות. ואכן, כתב יד זה מתאר איך זה ניתן יהיה לקבוע במהירות את עובי השכבה לתצהיר מסיבית, ולהימנע מעל או מתחת בתצהיר על פי צפיפות האנרגיה מחושב של האופטימלית הפרמטרים. מלבד ‘ מעל או מתחת התצהיר, זמן וחומרים שמירת הם היתרונות הגדולים האחרים של גישה זו שבה ניתן להתחיל בתצהיר של רכיבים מרובת שכבות ללא כל אופטימיזציה פרמטר מבחינת עובי השכבה.
Introduction
Ti-6Al-4V הוא הכי נפוץ Ti סגסוגת במטוס, תעופה וחלל, כלי רכב, ותעשיות ביו בשל יחס חוזק למשקל גבוה, קשיחות שבר מעולה, משקל סגולי נמוך, עמידות מצוינת בפני קורוזיה, חום treatability. עם זאת, מאתגרת את התפתחויות נוספות ביישומים אחרים, בשל מוליכות חום נמוכה והתכונות שלה תגובתיות גבוהה, והתוצאה machinability המסכן שלה. יתר על כן, בשל החום התקשות תופעות במהלך החיתוך, טיפול ספציפי בחום חייב להיות להתבצע1,2,3,4.
למרות זאת, תוסף (AM) בטכנולוגיות ייצור הראה פוטנציאל גדול כדי לשמש טכניקות הייצור החדש יכול להפחית את מחיר וצריכת האנרגיה, ולא להתמודד עם האתגרים הנוכחיים בייצור של Ti-6Al-4V סגסוגת.
טכניקות הייצור מוספים מכונים חדשניים ולא יכולים לפברק צורה נטו ליד רכיבים אופנה שכבה אחרי שכבה. בגישה הייצור מוספים שכבה אחרי שכבה, אשר פרוסות עיצוב תכנון בעזרת מחשב (CAD) מודל לתוך שכבות דק, ואז נבנה את הרכיב שכבה אחרי שכבה, הוא היסוד עבור כל שיטות AM. באופן כללי, ניתן לחלק הייצור מוספים חומרים מתכתיים ארבעה תהליכים שונים: אבקת מיטה, אבקת להאכיל (אבקת מפוצץ), חוט להאכיל ו אחרים מסלולים3,5,6.
בבימויו של אנרגיה התצהיר (DED) הן מחלקה של הייצור מוספים הוא תהליך blown אבקת fabricates תלת מימדי (3D) ליד חלקים מוצק צורה נטו מתוך קובץ CAD דומה לשיטות אחרות AM. לעומת טכניקות אחרות, DED לא ניתן להשתמש רק כשיטת הייצור, אבל גם יכול להיות מועסק טכניקה תיקון עבור חלקים בעלי ערך גבוה. בתהליך DED, חומר אבקה או חוט מתכתי מוזן על ידי המוביל גז או מנועים לתוך הבריכה להמיס, אשר נוצר על ידי הלייזר קרן על אחת את המצע או בעבר להפקיד שכבה. התהליך DED הוא תהליך ייצור מתקדמות מבטיח כי הוא מסוגל להקטין את היחס לקנות-כדי-לעוף, גם הוא מסוגל תיקון חלקים בעלי ערך גבוה שהיו בעבר לחדשו להחליף או בלתי הפיך7.
על מנת להשיג את הממדים גיאומטרי הרצוי ואת תכונות החומר, זה חיוני להקים פרמטרים מתאימים8. מספר מחקרים שבוצעו ליצירת להבהיר את הקשר בין הפרמטרים תהליך של מאפייני המדגם הופקדו הסופי. . Peyre et al. 9 כמה קירות דקים עם פרמטרים שונים ולאחר מכן שאפיינה אותם באמצעות profilometry 2D and 3D. הם הראו כי שכבת עובי ונפח בריכה להמיס להשפיע על הפרמטרים חספוס באופן ניכר. Vim ואח. 10 הציע מודל על מנת לנתח את הקשר בין תהליך פרמטרים מאפיינים גיאומטריים של שכבת חיפוי יחיד (גובה בלבוש, בלבוש רוחב ועומק של חדירה).
נכון להיום, מספר מחקרים על DED של Ti סגסוגות דווחו, ביותר אשר התמקדו השפעת השילוב של פרמטרים על המאפיינים של דגימות מסיבית11,12,4. Rasheedat et al. למד את ההשפעה של קצב הזרימה אבקת ומהירות סריקה על מאפייני וכתוצאה מכך לייזר הופקדו Ti-6Al-4V סגסוגת מתכת. הם מצאו כי על ידי הגדלת מהירות סריקה של אבקת קצב הזרימה מיקרו שינתה מן Widmanstätten מיקרו martensitic, כשהתוצאה היא תוספת קבועה של חספוס פני השטח, את microhardness של הפקיד דגימות7. יחד עם זאת, פחות תשומת לב הוקדשה עיצוב הגדרת עובי השכבה. צ’וי ואח. יש חקר הקשר בין עובי השכבה לבין תהליך פרמטרים. הם מצאו כי המקורות העיקריים של שגיאה בין הגובה הנוכחי הגובה בפועל הם אבקת זרימת מסה וקצב שכבה בעובי הגדרת13. המחקרים שלהם לא ליישם כהלכה הגדרת עובי השכבה כי הם מעורבים תהליכים ארוכים ולא מדויקות בקביעת עובי השכבה. Ruan ואח. חקרו את השפעת המהירות על הגובה שכבה הפקיד עוצמת הלייזר מתמדת, אבקת האכלה שיעור14סריקת לייזר. הם הציעו כמה מודלים אמפיריים להגדרת עובי השכבה אשר התקבלו בתנאים עיבוד ספציפי, ולכן ההגדרה עובי השכבה ויתכן שלא יהיה מדויק בשל הניצול של תהליך ספציפי פרמטרים15. בניגוד עבודות קודמות, עובי השכבה הגדרת תהליך הציע בכתב היד היא שיטה מהירה אשר יכול להתבצע מבלי לבזבז זמן וחומרים.
המוקד העיקרי של עבודה זו היא לפתח שיטה מהירה לקביעת עובי השכבה בהתבסס על מאפייני המסילה יחיד של הסגסוגת Ti-6Al-4V-אופטימום DED תהליך פרמטרים. לאחר מכן, הפרמטרים של האופטימלית תהליך מועסקים כדי לקבוע את עובי השכבה, הרכיבו בלוקים Ti-6Al-4V בצפיפות גבוהה מבלי לבזבז זמן וחומרים.
Protocol
Representative Results
Discussion
בעבודה זאת, הפוקוס היה על הגדרת עובי חיתוך בתהליך DED של Ti-6Al-4V, לפי הצורה הגיאומטרית של מאפייני בריכה להמיס. למטרה זו, פרוטוקול שני שלבים מוגדרים, מנוצל. החלק הראשון של הפרוטוקול היה לאופטימיזציה של תהליך פרמטרים עבור סריקה בודדת התצהיר, במהלך שלב זה, הפרמטרים אופטימום הושגו, גיאומטריות בריכ?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים, הייתי רוצה להכיר את פרויקט המחקר האירופית השייכים לתוכנית אופק 2020 מחקר וחדשנות Borealis – מחלקת האנרגיה 3A מכונת גמיש עבור תוסף חדש וייצור מופחתים על הדור הבא של תלת-ממד מורכבים חלקי מתכת
Materials
| Ti-6Al-4V powder | Xi’Tianrui new material | As starting material | |
| ISOMET precision cutter | Bohler | To cut the samples | |
| Polishing machine | Presi | To polish the samples | |
| EpoFix resin | Presi | To mount the samples | |
| Diamond paste | Presi | For polishing | |
| Optical Microscope | Leica | Microstructural observation | |
| Field emission scanning electron microscope | Merlin-Zeiss | Microstructural observation | |
| Stereo microscope | Leica | ||
| LEC1- CS444 ANALYSER | IncoTest | Chemical analysis | |
| LEC3 – ELTRA OHN2000 ANALYSER | IncoTest | Chemical analysis | |
| LEC2 – LECO TC436AR ANALYSER | IncoTest | Chemical analysis | |
| ICP | IncoTest | Chemical analysis | |
| IRB 4600 | ABB | Antropomorphic robot | |
| GTV PF | GTV | Powder feeding system | |
| YW 52 | Precitec | Laser head | |
| Nozzles | IRIS | Nozzle for feeding powders | |
| YLS 3000 | IPG Photonics | Laser source |
Riferimenti
- Banerjee, D., Williams, J. C. Perspectives on Titanium Science and Technology. Acta Mater. 61 (3), 844-879 (2013).
- Peters, M., Leyens, C., Peters, M. . Titanium and Titanium Alloys. , (2003).
- Lin, J., Lv, Y., Liu, Y., et al. Microstructural evolution and mechanical property of Ti-6Al-4V wall deposited by continuous plasma arc additive manufacturing without post heat treatment. J Mech Behav Biomed Mater. 69 (December 2016), 19-29 (2017).
- Saboori, A., Gallo, D., Biamino, S., Fino, P., Lombardi, M. An Overview of Additive Manufacturing of Titanium Components by Directed Energy Deposition: Microstructure and Mechanical Properties. Appl Sci. 7 (9), (2017).
- Wu, X., Liang, J., Mei, J., Mitchell, C., Goodwin, P. S., Voice, W. Microstructures of laser-deposited Ti-6Al-4V. Mater Des. 25 (2), 137-144 (2004).
- Trevisan, F., Calignano, F., Aversa, A., et al. Additive manufacturing of titanium alloys in the biomedical field: processes, properties and applications. J Appl Biomater Funct Mater. , (2017).
- Mahamood, R. M., Akinlabi, E. T. Scanning speed and powder flow rate influence on the properties of laser metal deposition of titanium alloy. Int J Adv Manuf Technol. 91 (5-8), (2017).
- Shim, D., Baek, G., Seo, J., Shin, G., Kim, K., Lee, K. Effect of layer thickness setting on deposition characteristics in direct energy deposition ( DED ) process. Opt Laser Technol. 86, 69-78 (2016).
- Gharbi, M., Peyre, P., Gorny, C., et al. Influence of various process conditions on surface finishes induced by the direct metal deposition laser technique on a Ti-6Al-4V alloy. J Mater Process Technol. 213 (5), 791-800 (2013).
- Davim, J. P., Oliveira, C., Cardoso, A. Predicting the geometric form of clad in laser cladding by powder using multiple regression analysis (MRA). Mater Des. 29 (2), 554-557 (2008).
- Kobryn, P. A., Moore, E. H., Semiatin, S. L. The Effect Of Laser Power And Traverse Speed On Microstructure, Porosity, And Build Height In Laser-Deposited Ti-6Al-4V. Scripta Materialia. 43, 299-305 (2000).
- Bi, G., Gasser, A., Wissenbach, K., Drenker, A., Poprawe, R. Characterization of the process control for the direct laser metallic powder deposition. Surf Coatings Technol. 201 (6), 2676-2683 (2006).
- Choi, J., Chang, Y. Characteristics of laser aided direct metal/material deposition process for tool steel. Int J Mach Tools Manuf. 45 (4-5), 597-607 (2005).
- Ruan, J., Tang, L., Liou, F. W., Landers, R. G. Direct Three-Dimensional Layer Metal Deposition. J Manuf Sci Eng. 132 (6), 64502-64506 (2010).
- Chen, X., Tao, Z. Maximum thickness of the laser cladding. Key Eng Mater. 46, 381-386 (1989).
- Slotwinski, J. A., Garboczi, E. J., Stutzman, P. E., Ferraris, C. F., Watson, S. S., Peltz, M. A. Characterization of Metal Powders Used for Additive Manufacturing. J Res Natl Inst Stand Technol. 119, 460-493 (2014).
- Manfredi, D., Calignano, F., Krishnan, M., Canali, R., Ambrosio, E. P., Atzeni, E. From Powders to Dense Metal Parts: Characterization of a Commercial AlSiMg Alloy Processed through Direct Metal Laser Sintering. Materials. 6 (3), 856-869 (2013).
