Produksjonen av ett spor av Ti-6Al-4V av rettet energi avsetning å angi lag tykkelsen til flerlags deponering
Summary
I denne forskningen, er en rask metode basert på smelte bassenget karakterisering utviklet for å beregne lag tykkelsen på Ti-6Al-4V komponenter produsert av rettet energi deponering.
Abstract
Rettet energi avsetning (DED), som er en additiv produksjon teknikk, er å skape en smeltet bassenget med en laserstråle der metall pulver injiseres som partikler. Generelt, er denne teknikken ansatt å dikte eller reparere ulike komponenter. I denne teknikken påvirkes siste egenskapene av mange faktorer. Faktisk er en av de viktigste oppgavene i bygningsdeler av DED optimalisering av prosess parametere (som laser makt, laser hastighet, fokus, etc.) som vanligvis utføres gjennom en omfattende eksperimentell undersøkelse. Men er denne typen eksperiment svært lang og kostbar. Dermed for å akselerere optimaliseringsprosessen, ble etterforskning gjennomført for å utvikle en metode basert på smelte bassenget karakteristikk. Faktisk i disse eksperimentene, ble enkelt spor av Ti-6Al-4V avsatt en DED prosess med flere kombinasjoner av laser makt og laser. Overflaten morfologi og dimensjoner av ett spor ble analysert og geometriske kjennetegner smelte bassenger ble vurdert etter polering og etsing av tverrsnitt. Nyttig informasjon om valg av optimal prosess parametere kan oppnås ved å undersøke funksjonene smelte bassenget. Disse eksperimentene utvides betegner de store blokkene med flere lag. Faktisk beskriver dette manuskriptet hvordan det ville være mulig å raskt fastslå lagtykkelse for massiv avsetning, og unngå over eller under deponering i henhold til den beregnede energi-tettheten av optimale parametere. Bortsett fra den over eller under deponering er tid og materialer lagring de andre store fordelene av denne tilnærmingen som avsetning av flerlags komponenter kan startes uten noen parameteren optimalisering i form av lagtykkelse.
Introduction
Ti-6Al-4V er mest brukte Ti legering i luftfart, fly, bil- og biomedisinsk bransjer på grunn av sin høye styrke-til-vekt forhold, utmerket Slagseighet, lav egenvekt, utmerket korrosjonsbeskyttelse og varme treatability. Men de videre utviklingen i andre programmer er utfordrende, på grunn av sin lav termisk konduktivitet og høy reaktivitet funksjoner, som føre sin dårlig machinability. Videre, på grunn av varme herding fenomener under skjæring, en spesifikk varmebehandling må være foretatt1,2,3,4.
Likevel, additiv produksjon (AM) teknologier viste stort potensial som nye produksjonsteknikker kan redusere prisen og energiforbruk, og ta opp noen av de gjeldende utfordringene i fabrikasjon av Ti-6Al-4V legering.
Additiv produksjonsteknikker er kjent som nyskapende og kan utvikle en nær netto figur i lag-på-lag mote. En lag-på-lag additiv produksjon tilnærming som skiver datamaskinen datastøttet Design (CAD) modell i tynne lag, og deretter bygger komponenten lagvis, er grunnleggende for alle AM metoder. Generelt, additiv produksjon av metalliske materialer kan deles inn i fire ulike prosesser: pulver bed, pulver feed (blåst pulver), trådmating og andre ruter3,5,6.
Regissert Energy avsetning (DED) er en klasse av additiv produksjon og er en blåst pulver prosess som fabricates tredimensjonale (3D) nær netto form solid deler fra en CAD-fil som ligner andre AM metoder. Motsetning til andre teknikker, DED kan ikke bare brukes som en metode for produksjon, men også kan brukes som en reparasjon teknikk for høy verdi deler. I DED prosessen, metallisk pulver eller wire materiale er matet av en transportør gass eller motors inn smelte bassenget, som genereres av laser stråle på begge underlaget eller tidligere avsatt lag. DED prosessen er en lovende avanserte produksjonsprosess som kan redusere kjøpe å fly forholdet, og også er i stand til å reparere høy verdi deler som tidligere var uoverkommelig dyrt å erstatte eller uopprettelig7.
For å oppnå ønsket geometriske dimensjoner og materialegenskaper, er det viktig å etablere riktige parameterne8. Flere studier har vært gjennomført å belyse forholdet mellom parameterne prosessen og egenskapene endelig avsatt prøven. Peyre et al. 9 bygget noen tynne vegger med annen prosess parametere, og deretter preget dem ved hjelp av 2D- og 3D-profilometry. De viste at lagtykkelse og smelte bassenget volum påvirker råhet parameterne merkbart. Vim et al. 10 foreslått en modell for å analysere forholdet mellom prosessen parameterne og geometriske kjennetegner et enkelt kledning lag (kledd høyde, kledd bredde og dybde av gjennomtrengning).
Til dags dato, flere studier av DED av Ti er legeringer rapportert, mest som fokuserte på påvirkning av kombinasjonen av parametere på egenskaper av massiv prøver11,12,4. Rasheedat et al. studerte effekten av skanning fart og pulver strømningshastighet på egenskapene resulterende laser metall avsatt Ti-6Al-4V legering. De fant at ved å øke skannehastighet og pulver strømningshastighet på mikrostruktur endret fra Widmanstätten til en martensitiske mikrostruktur, som resulterer i en økning av overflateruhet og microhardness av avsatt prøver7. Likevel er mindre oppmerksomhet betalt til å designe innstillingen lag tykkelse. Choi et al. har undersøkt sammenhengen mellom lagtykkelse og prosess parametere. De har funnet at de viktigste kildene til feil mellom den nåværende høyden og faktiske høyden er pulver masse flow rate og lag tykkelse angi13. Sine studier implementere ikke riktig lag breddeinnstilling fordi de involverte lange og unøyaktig prosesser i innstillingen lag tykkelse. Ruan et al. har undersøkt effekten av laser skanning fart på avsatt lag høyden på konstant laser makt og pulver fôring rate14. De har foreslått noe empirisk modeller for laget breddeinnstilling som ble innhentet under bestemte filmfremkalling vilkår, og dermed breddeinnstilling lag kan ikke være presis på grunn av bruken av bestemt prosess parametere15. I motsetning til tidligere verker er lagtykkelse sette prosessen foreslått i dette manuskriptet en rask metode som kan utføres uten å kaste bort tid og materialer.
Hovedfokuset i dette arbeidet er å utvikle en rask metode for fastsettelse av lagtykkelse basert på egenskapene til de eneste sporene av Ti-6Al-4V legeringen på optimal DED prosess parametere. Deretter er parameterne optimal prosessen ansatt for å finne et lagtykkelse og dikte høy tetthet Ti-6Al-4V blokker uten å kaste bort tid og materialer.
Protocol
Representative Results
Discussion
I dette arbeidet var fokus på innstillingen for kutting tykkelse i DED prosessen med Ti-6Al-4V, ifølge geometrien av smelte bassenget egenskaper. For dette formålet, var en to-trinns protokoll definert og utnyttet. Den første delen av protokollen var en optimalisering av prosess parametere for enkel skanning avsettelse og under dette trinnet optimale parametere ble oppnådd og smelte bassenget geometrier ble målt. I den andre delen av protokollen, ble spesifikke energi tettheten av prøver på optimale parametere be…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne ønsker å erkjenne europeiske prosjektet tilhører Horizon 2020 forskning og innovasjon programmet Borealis – 3A energi klassen fleksibel maskin for nye additiv og subtraktiv produksjon på neste generasjon av komplekse 3D metalldeler
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 |
Referências
- 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).
