Produktion af enkelt spor af Ti-6Al-4V af rettet energi Deposition til at bestemme lagtykkelse for Multilayer Deposition
Summary
I denne forskning, er en hurtig metode baseret på smelte pool karakterisering udviklet til at estimere lagtykkelse af Ti-6Al-4V komponenter fremstillet af rettet energi deposition.
Abstract
Rettet energi Deposition (DED), som er et tilsætningsstof fremstillingsindustrien teknik, indebærer oprettelse af en smeltet pool med en laserstråle hvor metalpulver sprøjtes som partikler. I almindelighed, er denne teknik ansat til at fabrikere eller reparere forskellige komponenter. I denne teknik påvirkes de endelige egenskaber af mange faktorer. Faktisk, en af de vigtigste opgaver i byggekomponenter af DED er optimering af procesparametre (såsom laser power, laser hastighed, fokus, etc.), som er normalt udføres gennem en omfattende eksperimentel undersøgelse. Denne form for eksperiment er imidlertid meget langvarige og kostbare. Således, for at fremskynde optimeringsprocessen, en undersøgelse blev udført for at udvikle en metode baseret på smelte pool beskrivelser. I virkeligheden, i disse eksperimenter, blev enkelt spor af Ti-6Al-4V deponeret af en DED proces med flere kombinationer af laser power og laser hastighed. Overflade morfologi og dimensioner af enkelt spor blev analyseret, og geometriske specifikationer af smelte pools blev evalueret efter polering og ætsning af tværsnit. Nyttige oplysninger om udvælgelse af optimale procesparametre kan opnås ved at undersøge funktionerne smelte til pool. Disse eksperimenter er at blive udvidet til at karakterisere de større blokke med flere lag. Ja, dette manuskript beskriver hvordan det ville være muligt for hurtigt at afgøre lagtykkelse for den massive deposition og undgå eller under deposition ifølge den beregnede energitæthed af de optimale parametre. Bortset fra over eller under deposition er tid og materialer besparelse de andre store fordele ved denne tilgang, hvor aflejring af flerlaget komponenter kan startes uden nogen parameter optimering med hensyn til lagtykkelse.
Introduction
Ti-6Al-4V er mest almindeligt anvendte Ti legering i aerospace, flyet, automotive, og biomedicinske industrier på grund af sin høje styrke / vægt-forhold, fremragende brudsejhed, lav vægtfylde, fremragende korrosionsbestandighed og varme treatability. Men dens videre udvikling i andre programmer er udfordrende, på grund af sin lave varmeledningsevne og høj reaktivitet funktioner, som føre sin fattige bearbejdelighed. Desuden, på grund af varmen hærdning fænomener under opskæring, en specifik varmebehandling skal gennemføres1,2,3,4.
Ikke desto mindre tilsætningsstof fremstillingsindustrien (AM) teknologier viste stort potentiale til at blive brugt som ny fremstillingsteknikker, der kan reducere pris og energiforbruget, og tage fat på nogle af de aktuelle udfordringer i fabrikation af legering, Ti-6Al-4V.
Additive manufacturing teknikker er kendt som innovative og kan fabrikere en i nærheden af netto figur komponent i et lag-by-lag-mode. Et lag på lag additive manufacturing tilgang, som skiver en Computer Aided Design (CAD) model i tynde lag og derefter bygger den komponent lag på lag, er grundlæggende for alle AM metoder. Generelt er additiv fremstilling af metalliske materialer kan opdeles i fire forskellige processer: pulver seng, pulver foder (blæst pulver), wire feed og andre ruter3,5,6.
Rettet energi Deposition (DED) er en klasse af tilsætningsstof fremstillingsindustrien og er en blæst pulver proces, der fabrikerer tredimensionale (3D) nær netto figur faste dele fra en CAD-fil svarende til andre AM metoder. I modsætning til andre teknikker, DED kan ikke kun bruges som en fremstillingsmetoden, men også kan være ansat som en reparation teknik for høj værdi dele. I forbindelse med DED, metallisk pulver eller wire materiale er fodret af en bæregas eller motorer i pool, Smelt, som genereres af laseren stråle på enten underlaget eller tidligere indbetalt lag. DED er en lovende avancerede produktionsproces, der er i stand til at faldende buy-til-fly-forholdet, og også er i stand til at reparere høj værdi dele, der tidligere var uoverkommeligt dyre at erstatte eller uoprettelig7.
For at opnå det ønskede geometriske dimensioner og materialeegenskaber, er det afgørende at etablere passende parametre8. Flere undersøgelser har været forpligtet sig til at belyse forholdet mellem procesparametre og de endelige egenskaber af den deponerede prøve. Peyre et al. 9 bygget nogle tynde vægge med forskellige parametre, og derefter karakteriseret dem ved hjælp af 2D og 3D profilometry. De viste, at lagtykkelse og smelte pool volumen påvirker ruhed parametre mærkbart. Vim mfl. 10 foreslået en model for at analysere forholdet mellem procesparametre og geometriske egenskaber af en enkelt beklædning lag (beklædt højde, klædt bredde og dybde af penetration).
Til dato, flere undersøgelser på DED af Ti er legeringer blevet rapporteret, mest som fokuseret på en kombination af parametre indflydelse på egenskaber af massive prøver11,12,4. Rasheedat mfl. undersøgte effekten af scanning hastighed og pulver strømningshastighed på de deraf følgende egenskaber af laser metal deponerede Ti-6Al-4V legering. De fandt, at ved at øge scanning hastighed og pulver strømningshastighed mikrostrukturen ændret fra Widmanstätten til en martensitic mikrostruktur, hvilket resulterer i en forøgelse af overfladeruhed og microhardness af deponerede prøver7. Dog har mindre opmærksomhed betalt til at designe indstillingen lag tykkelse. Choi mfl. har undersøgt sammenhængen mellem lagtykkelse og procesparametre. De har konstateret, at de vigtigste kilder til fejl mellem den nuværende højde og den faktiske højde er pulver massestrøm sats og lag tykkelse indstilling13. Deres undersøgelser ikke korrekt implementerer lag tykkelse indstilling, fordi de involverede langvarige og unøjagtige processer i indstillingen lag tykkelse. Ruan mfl. har undersøgt effekten af laser scanning hastighed på deponerede lag højden på en konstant laser power og pulver fodring sats14. De har foreslået nogle empiriske modeller for lag tykkelse indstilling, som blev opnået under bestemte forarbejdningsbetingelser, og dermed lag tykkelse indstilling muligvis ikke præcis på grund af udnyttelsen af specifik proces parametre15. I modsætning til tidligere værker er lagtykkelse proces, der foreslås i dette håndskrift en hurtig metode, der kan udføres uden at spilde tid og materialer.
Hovedvægten i dette arbejde er at udvikle en hurtig metode til bestemmelse af lagtykkelse baseret på de særlige kendetegn ved de enkelte spor af legeringens Ti-6Al-4V på optimal DED procesparametre. Derefter, er de optimale procesparametre ansat til at bestemme en lagtykkelse og fabrikere high-density Ti-6Al-4V blokke uden at spilde tid og materialer.
Protocol
Representative Results
Discussion
I dette arbejde var fokus på den udskæring snittykkelse i DED processen med Ti-6Al-4V, geometri af smelte pool egenskaber. Til dette formål, var en to-trins protokol defineret og udnyttet. Den første del af protokollen var en optimering af procesparametre for enkelt scanning deposition og under dette trin, de optimale parametre blev opnået og smelte pool geometrier blev målt. I den anden del af protokollen beregnedes den specifikke energitæthed af prøver på de optimale parametre. I dette trin, højden af smelte …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne vil gerne anerkende den europæiske forskningsprojekt tilhører Horisont 2020 forskning og innovation programmet Borealis – 3A energiklasse fleksible maskine til det nye tilsætningsstof og subtraktive fremstilling på næste generation af komplekse 3D metaldele
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).
