Produktion av enskilda spår av Ti-6Al-4V av riktad energi nedfall reda lagrartjockleken för Multilayer nedfall
Summary
I denna forskning, är en snabb metod baserad på smälta pool karakterisering utvecklat för att uppskatta Lagrartjockleken av Ti-6Al-4V komponenter produceras av riktad energi nedfall.
Abstract
Riktad energi nedfall (DED), som är en additiv tillverkningsteknik, innebär skapandet av en smält pool med en laserstråle där metall pulver sprutas som partiklar. I allmänhet är denna teknik anställd antingen tillverka eller reparera olika komponenter. Den här tekniken påverkas de slutliga egenskaperna av många faktorer. En av de viktigaste uppgifterna i byggnadsdelar av DED faktiskt optimering av processparametrar (såsom lasereffekt, laser hastighet, fokus, etc.) som oftast sker genom en omfattande experimentell undersökning. Detta slags experiment är dock extremt långdragna och kostsamma. Således, för att påskynda optimeringsprocessen, genomfördes en undersökning för att utveckla en metod baserad på de smälta pool karakteriseringar. I själva verket i dessa experiment, sattes enda spår av Ti-6Al-4V in av en DED process med flera kombinationer av lasereffekten och laser hastighet. Ytan morfologi och dimensioner av enkelspår analyserades och geometriska egenskaper av smälta pooler utvärderades efter polering och etsning ottomotorer. Bra information angående val av optimala processparametrar kan uppnås genom att undersöka de smälta pool funktionerna. Dessa experiment förlängs för att karakterisera de största block med flera lager. Faktiskt, Detta manuskript beskriver hur det skulle vara möjligt att snabbt fastställa lagrartjockleken för massiva nedfall och undvika över eller under nedfall enligt den beräkna energitätheten av optimala parametrar. Förutom den över eller under nedfall är tid och material sparar de andra stora fördelarna med detta tillvägagångssätt där nedfallet av flerskikts komponenter kan startas utan någon parameter optimering i form av skiktets tjocklek.
Introduction
Ti-6Al-4V är de vanligaste Ti legering i flyg, flygplan, fordon, och biomedicinsk industri på grund av dess höga styrkan-to-viktförhållande, utmärkt brottseghet, låg densitet, utmärkt korrosionsbeständighet och värme treatability. Men dess mer ytterligare utvecklingar i andra program utmanande, på grund av dess låga termiska ledningsförmåga och hög reaktivitet funktioner, vilket resultera i dess fattiga bearbetbarhet. Dessutom på grund av värmen härdning fenomen under styckning, måste en specifik värmebehandling ske1,2,3,4.
Additiv tillverkning (AM) teknik visade dock stor potential att användas som ny tillverkningsteknik som kan minska pris- och energiförbrukning, och ta itu med några av de nuvarande utmaningarna i tillverkning av Ti-6Al-4V legeringen.
Additiva tillverkningstekniker kallas innovativa och kan tillverka en nära netto form komponent i en lager-för-lager mode. En lager-för-lager additiv tillverkning strategi, som skivor en Computer Aided Design (CAD) modell i tunna lager och sedan bygger komponenten lager för lager, är grundläggande för alla AM metoder. I allmänhet, additiv tillverkning av metalliska material kan delas in i fyra olika processer: pulver säng, pulver foder (blåst pulver), trådmatning och andra rutter3,5,6.
Riktad energi nedfall (DED) är en klass av additiv tillverkning och är en blåst pulver process som tillverkar tredimensionella (3D) nära netto form solida delar från en CAD-fil som liknar andra AM-metoder. I motsats till andra tekniker, DED kan inte endast användas som en tillverkningsmetod, men också kan användas som en reparera teknik för högt värde delar. I DED, metalliska pulver eller tråd materialet matas av en bärgas eller motorer i den smälta poolen, som genereras av laser beam på antingen substratet eller tidigare deponerat lager. DED processen är en lovande avancerade tillverkningsprocess som klarar fallande förhållandet buy-to-fly, och också kan reparera högt värde delar som tidigare var oöverkomligt dyrt att ersätta eller irreparabel7.
För att uppnå den önskade geometriska dimensioner och materialegenskaper, är det mycket viktigt att inrätta lämpliga parametrar8. Flera studier har genomförts för att belysa förhållandet mellan processparametrarna och deponerade provet slutliga egenskaper. Peyre o.a. 9 byggt några tunna väggar med olika processparametrar och sedan kännetecknas dem med hjälp av 2D och 3D profilometry. De visade att skiktets tjocklek och smälta pool volym påverkar parametrarna strävhet märkbart. Vim et al. 10 föreslagit en modell för att analysera relationen mellan de processparametrar och geometriska egenskaper i ett enda beklädnad lager (pläterad höjd, pläterad bredd och djup penetration).
Hittills har flera studier på DED av Ti har legeringar rapporterats, mest som inriktad på en kombination av parametrar påverkar egenskaperna för massiva prover11,12,4. Rasheedat et al. studerade effekten av scan hastighet och pulver flöde på de resulterande egenskaperna hos laser metall deponerade Ti-6Al-4V legeringen. De fann att genom att öka skanningshastighet och pulver flöde mikrostrukturen ändras från Widmanstätten till en martensitisk mikrostruktur, vilket resulterar i en ökning av ytjämnhet och Mikrohårdhetsprovning deponerade exemplar7. Dock ägnats mindre uppmärksamhet till att designa inställningen lager tjocklek. Choi et al. har undersökt sambandet mellan skiktets tjocklek och processparametrar. De har funnit att de viktigaste källorna till fel mellan nuvarande höjden och den faktiska höjden är pulver massflödet ränta och lager tjocklek inställning13. Deras studier har inte ordentligt genomfört lager tjockleksinställning eftersom de inblandade långa och felaktiga processer i inställningen lager tjocklek. Ruan et al. har undersökt effekten av laser scanning hastighet på den deponerade Lagerhöjd på en konstant lasereffekt och pulver utfodring kurs14. De föreslagit vissa empiriska modeller för lager tjockleksinställning som erhölls under särskilda villkor, och inställningen lager tjocklek kan således inte vara exakt på grund av användningen av särskild process parametrar15. I motsats till tidigare verk är lagrartjockleken inställning process som föreslås i detta manuskript en snabb metod som kan utföras utan att slösa tid och material.
Tyngdpunkten i detta arbete är att utveckla en snabb metod för bestämning av skikttjocklek baserat på egenskaperna hos de enda spåren av Ti-6Al-4V legeringen på optimal DED processparametrar. Därefter är de optimala processparametrarna anställda att bestämma en skikttjocklek och fabricera högdensitets Ti-6Al-4V block utan att slösa tid och material.
Protocol
Representative Results
Discussion
I detta arbete var fokus på inställningen skivning tjocklek i DED processen av Ti-6Al-4V, enligt geometri av smälta pool egenskaper. För detta ändamål, en två-stegs protokollet definieras och utnyttjas. Den första delen av protokollet var en optimering av processparametrar för enda scan nedfall under detta steg, de optimala parametrarna uppnåddes och smälta pool geometrier mättes. I den andra delen av protokollet beräknades den specifika energitätheten av exemplar på optimala parametrar. I det här steget …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna vill erkänna det europeiska forskningsprojektet som hör till programmet Horisont 2020 för forskning och innovation Borealis – 3A energi klassen flexibel maskin för nya additiv och subtraktiv tillverkning på nästa generation av komplexa 3D metalldelar
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).
