用定向能沉积法生产 Ti-6Al-4V 层厚度的单车道多层沉积
Summary
本文研究了一种基于熔池特性的快速方法, 用于估算定向能沉积 Ti-6Al-4V 组分的层厚度。
Abstract
定向能量沉积是一种添加剂制造技术, 它涉及用激光束将金属粉末注入粒子的熔池创建。一般来说, 这种技术是用来制造或修复不同的组件。在这种技术中, 最终的特征受到许多因素的影响。事实上, 在建筑构件的主要任务之一是优化的工艺参数 (如激光功率, 激光速度, 焦点,等等), 这通常是通过广泛的实验研究进行。然而, 这类实验是非常冗长和昂贵的。为此, 为了加速优化过程, 对基于熔池特征的方法进行了研究。事实上, 在这些实验中, Ti-6Al-4V 的单一轨道是由一个由激光功率和激光速度组合而成的过程所沉积。分析了单轨道的表面形貌和尺寸, 并对剖面进行抛光和蚀刻后, 对熔池的几何特性进行了评价。通过对熔池特性的检测, 可以获得有关最佳工艺参数选择的有用信息。这些实验正在扩展以描述具有多层的大块。事实上, 这篇手稿描述了如何能够快速确定的厚度为大规模沉积, 并避免超过或低于沉积根据计算的能量密度的最佳参数。除沉积物的过度或不足外, 时间和材料的节省是这种方法的另一个巨大的优势, 其中多层组件的沉积可以启动, 而无需任何参数优化的层厚度。
Introduction
Ti-6Al-4V 是航空航天、飞机、汽车和生物医学行业中最常用的钛合金, 由于其高强度重量比、优异的断裂韧性、低比重、优异的耐腐蚀性和热可处理性.然而, 由于其导热系数低、反应性高, 因此其在其它应用方面的进一步发展具有挑战性, 导致其加工性能较差。此外, 由于切削过程中的热硬化现象, 必须进行特定的热处理1,2,3,4。
尽管如此, 添加剂制造 (AM) 技术显示了巨大的潜力, 作为新的制造技术, 可以降低价格和能耗, 并解决一些目前的挑战, 在制造 Ti-6Al-4V 合金。
添加剂制造技术被称为创新, 可以以逐层的方式制造近网形状组件。逐层添加剂制造方法, 将计算机辅助设计 (CAD) 模型切片成薄层, 然后逐层构建组件层, 是所有 AM 方法的基础。一般情况下, 金属材料的添加剂制造可分为四种不同的工艺: 粉床、粉料 (吹粉)、送丝和其他路线3、5、6。
定向能量沉积是一类的添加剂制造, 是一个吹粉过程, 从 CAD 文件中捏造出三维 (3D) 近净形状实体零件, 类似于其他 AM 方法。与其他技术相比, 其不仅可以作为一种制造方法, 而且还可作为高附加值零件的修复技术使用。在该过程中, 金属粉末或金属丝材料由载气或马达送入熔池, 由激光束在基体或先前沉积层上产生。该过程是一个有希望的先进制造工艺, 它能够降低购飞比, 并且能够修复以前成本高昂的高价值部件, 以取代或无法挽回的7。
为了实现所需的几何尺寸和材料属性, 建立适当的参数8至关重要。已进行了几项研究, 以阐明工艺参数与沉积样品的最终性质之间的关系。Peyre et 。9构建了一些具有不同工艺参数的薄壁壁, 然后使用2D 和3D 轮廓术对其进行了特征描述。结果表明, 层厚度和熔池体积对粗糙度参数有显著影响。Vim et al。10提出了一个模型, 以便分析单个包覆层 (包覆高度、复合宽度和穿透深度) 的工艺参数与几何特征之间的关系。
迄今为止, 关于 Ti 合金的若干研究报告, 其中大部分侧重于参数组合对大量样品的性能的影响11,12,4。Rasheedat et al。研究了扫描速度和粉流速率对激光金属沉积 Ti-6Al-4V 合金产生性能的影响。他们发现, 通过提高扫描速度和粉末流速, 显微组织从 Widmanstätten 转变为马氏体显微组织, 导致表面粗糙度和沉积试样的显微硬度增加7。然而, 在设计层厚度设置方面却较少受到重视。彩虹et al。研究了层厚度与工艺参数之间的相关性。他们发现, 当前高度和实际高度之间的主要误差来源是粉末质量流速和层厚度设置13。他们的研究没有正确地实现层厚度设置, 因为它们涉及厚和不准确的过程中的层厚度设置。阮et al。研究了激光扫描速度对恒定激光功率和送粉率的影响, 在14。提出了在特定加工条件下获得的层厚度设置的一些经验模型, 因此, 由于使用了特定的工艺参数15, 层厚度设置可能不精确。与以往的工作相比, 本文提出的层厚设置过程是一种快速的方法, 可以在不浪费时间和材料的情况下进行。
本文的主要工作重点是根据 Ti-6Al-4V 合金在最佳工艺参数下的单轨道特性, 开发一种快速测定层厚度的方法。在不浪费时间和材料的情况下, 采用最佳工艺参数确定层厚, 制造高密度 Ti-6Al-4V 块。
Protocol
Representative Results
Discussion
根据熔池特性的几何形状, 重点研究了 Ti-6Al-4V 过程中的切片厚度设置。为此, 定义并使用了两步协议。该协议的第一部分是对单扫描沉积过程参数的优化, 并在此步骤中实现了最佳参数, 并测量了熔池的几何形状。在该协议的第二部分, 计算了试样在最佳参数下的比能量密度。在此步骤中, 将熔池的高度绘制为能量密度函数, 在这一关键步骤中, 可以实现多层沉积层厚度。
由于?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
作者愿意承认欧洲研究项目属于地平线2020研究和创新计划-3A 能源类柔性机器为新的加法和消减制造在下一代复杂3D金属零件
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 |
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