Productie van enkele Tracks van Ti-6Al-4V door afzetting van gerichte energie om te bepalen van de laagdikte voor gelaagde afzetting
Summary
In dit onderzoek, is een snelle methode op basis van de karakterisering van het zwembad van de smelt ontwikkeld voor het inschatten van de laagdikte van Ti-6Al-4V onderdelen geproduceerd door afzetting van gerichte energie.
Abstract
Gericht energie afzetting (DED), oftewel een additieve productietechniek, impliceert de oprichting van een gesmolten zwembad met een laserstraal waar metaalpoeder als deeltjes wordt geïnjecteerd. In het algemeen, is deze techniek aangewend om te fabriceren of herstellen van verschillende componenten. Bij deze techniek, worden de definitieve kenmerken beïnvloed door vele factoren. Inderdaad, een van de belangrijkste taken in het bouwen van onderdelen door DED is de optimalisatie van procesparameters (zoals de macht van de laser, laser snelheid, focus, etc.), die meestal door middel van een uitgebreide experimenteel onderzoek wordt uitgevoerd. Dit soort experiment is echter uiterst langdurige en kostbare. Dus, om te versnellen naar de optimization procédé, een onderzoek werd uitgevoerd om het ontwikkelen van een methode gebaseerd op de smelt zwembad karakterisaties. In feite, in deze experimenten, werden enkele nummers van Ti-6Al-4V afgezet door een DED proces met meerdere combinaties van de macht van de laser en laser snelheid. Oppervlakte morfologie en afmetingen van enkele nummers werden geanalyseerd en geometrische eigenschappen van de smelt zwembaden werden geëvalueerd na polijsten en etsen van de dwarsdoorsneden. Nuttige informatie met betrekking tot de selectie van optimale procesparameters kan worden bereikt door het onderzoek van de smelt zwembad functies. Deze experimenten worden uitgebreid om het karakteriseren van de grotere blokken met meerdere lagen. Inderdaad, dit manuscript beschrijft hoe het zou mogelijk zijn om snel te bepalen de laagdikte voor de enorme depositie, en vermijden of onder afzetting volgens de berekende dichtheid van de energie van de optimale parameters. Afgezien van de over of onder depositie zijn tijd en materialen opslaan de andere grote voordelen van deze benadering waarin de afzetting van gelaagde componenten kan worden gestart zonder enige parameter optimalisatie in termen van laagdikte.
Introduction
TI-6Al-4V is de meest gebruikte legering van de Ti in het lucht-en ruimtevaart, vliegtuig, automobiel, en biomedische industrie vanwege zijn hoge sterkte-gewicht verhouding, uitstekende breuk-taaiheid, laag soortelijk gewicht, uitstekende corrosieweerstand en warmte treatability. Echter, de verdere ontwikkelingen in andere toepassingen zijn uitdagend, als gevolg van zijn lage thermische geleidbaarheid en hoge reactiviteit functies, die resulteren in haar arme zaagt. Bovendien, als gevolg van de hitte verharding verschijnselen tijdens het uitsnijden, een soortelijke warmtebehandeling moet worden ondernomen1,2,3,4.
Additief (AM) productietechnologieën toonde echter groot potentieel om te worden gebruikt als nieuwe productietechnieken die kunnen verminderen de prijs en energieverbruik, en ingaan op enkele van de huidige uitdagingen in de fabricage van Ti-6Al-4V legering.
Additieve fabricagetechnieken staan bekend als innovatief en een in de omgeving van netto vorm kunnen fabriceren component in een laag-voor-laag-mode. Een laag-voor-laag additive manufacturing aanpak, die een Computer Aided Design (CAD)-model plakjes in dunne lagen en dan bouwt het onderdeel laag voor laag, is van fundamenteel belang voor alle methoden van de AM. In het algemeen, additieve vervaardiging van metalen voorwerpen kan worden onderverdeeld in vier verschillende processen: poeder bed, poeder (geblazen poeder) voeden, draad feed en andere routes3,5,6.
Gericht energie afzetting (DED) is een klasse van additieve productie en is een proces van geblazen poeder dat driedimensionale (3D) produceert in de buurt van vaste delen van de netto vorm vanuit een CAD-bestand vergelijkbaar met andere methoden van AM. In tegenstelling tot andere technieken, DED kan niet alleen worden gebruikt als een productiemethode, maar ook kan worden gebruikt als een reparatie techniek voor hoogwaardige onderdelen. In het proces van DED, metaalachtig poeder of draad materiaal wordt gevoed door een draaggas of motoren in het zwembad, smelt, dat wordt gegenereerd door de laser beam op ofwel het substraat of eerder laag heeft afgezet. De DED is een veelbelovende geavanceerde fabrieksmatige productie-proces dat in staat van vermindering van de buy-to-fly-verhouding is, en is ook geschikt voor het repareren van hoogwaardige onderdelen die eerder waren onbetaalbaar om te vervangen of onherstelbare7.
Oog op de gewenste geometrische afmetingen en eigenschappen van het materiaal, is het belangrijk om vast te stellen van de juiste parameters8. Verschillende studies hebben plaatsgevonden aan de verheldering van de relatie tussen procesparameters en de uiteindelijke eigenschappen van de gestorte monster. Peyre et al. 9 sommige dunne muren met verschillende procesparameters gebouwd, en hen vervolgens gekenmerkt met behulp van 2D- en 3D-profilometry. Zij toonden aan dat laagdikte en smelt zwembad volume van invloed zijn op de ruwheid parameters merkbaar. Vim et al. 10 voorgesteld een model om te analyseren van de relatie tussen de procesparameters en de geometrische kenmerken van een interne bekleding laag (geklede height, geklede breedte en diepte van penetratie).
Tot op heden, verschillende studies over DED van Ti zijn legeringen gemeld, meest waarvan gericht op de invloed van de combinatie van parameters op Eigenschappen enorme monsters11,,12,4. Rasheedat et al. bestudeerde het effect van scan snelheid en poeder debiet op de resulterende eigenschappen van de laser metalen gedeponeerde Ti-6Al-4V legering. Zij vonden dat door het verhogen van de snelheid van de scan en poeder debiet de microstructuur veranderd van Widmanstätten tot een martensitische microstructuur, wat in een toename van de oppervlakteruwheid en de microhardness van gestorte exemplaren7 resulteert. Echter heeft minder aandacht besteed aan het ontwerpen van de instelling van de dikte van de laag. Choi et al.. hebben onderzocht de correlatie tussen de laagdikte en procesparameters. Zij hebben gevonden dat de belangrijkste bronnen van fout tussen de huidige hoogte en de werkelijke hoogte zijn de poeder massastroom tarief en laag dikte instellen van13. Instelling van de dikte van de laag wordt deed niet goed geïmplementeerd in hun studie omdat ze lang en de onnauwkeurige processen in de laag dikte instelling betrokken. Ruan et al. hebben onderzocht het effect van laser scansnelheid op de laaghoogte van de gedeponeerde op een constante laser macht en poeder voederen tarief14. Zij hebben sommige empirische modellen voorgesteld voor de instelling van de dikte van de laag die zijn verkregen onder bepaalde procescondities, en dus de laag dikte instelling niet mogelijk precieze als gevolg van het gebruik van specifiek proces parameters15. In tegenstelling tot voorgaande werken is de laagdikte instellen proces voorgesteld in dit manuscript een snelle methode die kan worden uitgevoerd zonder verspilling van tijd en materialen.
De belangrijkste focus van dit werk is een snelle methode voor de bepaling van de laagdikte op basis van de kenmerken van de single tracks van de Ti-6Al-4V legering bij optimale DED procesparameters te ontwikkelen. Daarna, zijn de optimale procesparameters werkzaam voor het bepalen van een laagdikte en fabriceren van high-density Ti-6Al-4V blokken zonder verspilling van tijd en materialen.
Protocol
Representative Results
Discussion
In dit werk lag de focus op de segmenteringshulplijnen dikte-instelling in het DED proces van Ti-6Al-4V, volgens de geometrie van de smelt zwembad kenmerken. Voor dit doel, was een tweestaps-protocol gedefinieerd en gebruikt. Het eerste deel van het protocol was een optimalisering van procesparameters voor één scan afzetting tijdens deze stap, de optimale parameters werden bereikt en de smelt zwembad geometrieën werden gemeten. In het tweede deel van het protocol, werd de specifieke energiedichtheid van monsters bij d…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs wil erkennen het Europese onderzoeksproject die behoren tot de Horizon 2020-programma voor onderzoek en innovatie Borealis – de energieklasse van 3A flexibele Machine voor de nieuwe additieve en subtractieve productie op de volgende generatie van complexe 3D metalen onderdelen
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 |
References
- 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).
