Dans cette recherche, une méthode rapide fonte piscine la caractérisation est élaborée pour estimer l’épaisseur de la couche de Ti-6Al-4V composantes produites par le dépôt d’énergie dirigée.
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Article de méthode
Production de Single Tracks de Ti-6Al-4V par le dépôt d’énergie dirigée pour déterminer l’épaisseur de la couche pour les dépôts multicouches
Dans cet article
Résumé
Résumé
Réalisé énergie dépôts (DED), qui est une technique de fabrication additive, implique la création d’un bain de fusion avec un faisceau laser où la poudre métallique est injecté sous forme de particules. En général, cette technique est employée pour fabriquer ou réparer les composants différents. Dans cette technique, les caractéristiques finales sont affectés par de nombreux facteurs. En effet, l’une des tâches principales dans la construction de composants par DED est l’optimisation des paramètres du processus (par exemple la puissance du laser, laser vitesse, focus, etc.) qui est habituellement réalisée à travers une vaste enquête expérimentale. Cependant, ce genre d’expérience est extrêmement longue et coûteuse. Ainsi, afin d’accélérer le processus d’optimisation, une enquête a été menée pour développer une méthode basée sur des caractérisations de piscine de fonte. En effet, dans ces expériences, des pistes individuelles de Ti-6Al-4V ont été déposés par un procédé DED avec plusieurs combinaisons de puissance laser laser vitesse. Morphologie de la surface et les dimensions des pistes individuelles ont été analysées, et les caractéristiques géométriques des bassins de fonte ont été évalués après polissage et gravure à l’eau-forte des coupes. Informations utiles au sujet du choix des paramètres du procédé optimal est possible en examinant les caractéristiques de piscine de fonte. Ces expériences sont étendues pour caractériser les gros blocs avec plusieurs couches. En effet, ce manuscrit décrit comment il serait possible de déterminer rapidement l’épaisseur de la couche pour les dépôts massifs et éviter plus ou moins les dépôts selon la densité d’énergie calculée des paramètres optimaux. Mis à part l’over ou sous dépôt, temps et économiser des matériaux sont les autres grands avantages de cette approche dans laquelle la déposition de composants multicouches peut être démarrée sans aucune optimisation de paramètres en fonction de l’épaisseur de la couche.
Introduction
Ti-6Al-4V est le plus couramment utilisé en alliage de Ti dans l’aéronautique, avion, automobile et les industries biomédicales en raison de son rapport résistance-poids élevé, excellente ténacité, de faible densité, résistance et chaleur traitabilité. Toutefois, les faits nouveaux intervenus dans d’autres applications sont difficiles, en raison de sa faible conductivité thermique et les caractéristiques de forte réactivité, qui provoquer son usinabilité médiocre. En outre, en raison de la chaleur, des phénomènes de durcissement lors de la coupe, un traitement thermique spécifique doit être entrepris1,2,3,4.
Néanmoins, additif (AM) technologies de fabrication montré un grand potentiel pour servir de nouvelles techniques de fabrication qui peuvent réduire la consommation d’énergie et les prix et répondre à certains des défis actuels dans la fabrication d’alliage de Ti-6Al-4V.
Techniques de fabrication additive sont connus comme innovante et peut fabriquer une forme nette proche constituants dans un mode de couche par couche. Une approche de couche par couche fabrication additive, tranches d’un modèle de conception assistée par ordinateur (CAO) en couches minces et génère ensuite le composant couche par couche, est fondamentale pour toutes les méthodes de l’AM. En général, fabrication additive des matériaux métalliques peut être divisée en quatre différents processus : poudre lit, poudre (poudre soufflé) d’alimentation, alimentation du fil et autres routes3,5,6.
Réalisé énergie dépôts (DED) est une classe de fabrication additive et est un processus de poudre soufflé qui fabrique en trois dimensions (3D) près de parties solides forme nette d’un fichier CAD similaire aux autres méthodes de AM. Contrairement aux autres techniques, DED peut non seulement être utilisé comme une méthode de fabrication, mais peut également être employée comme une technique de réparation pour les pièces de grande valeur. Dans le processus DED, matériau de poudre ou de fil métallique est alimentée par un gaz vecteur ou moteurs dans la piscine de fonte, qui est générée par le laser de faisceau soit sur le substrat ou précédemment déposé couche. Le processus DED est un procédé de fabrication avancée prometteuse qui est capable de réduire le ratio de l’acheter à voler et est également capable de réparer des pièces de grande valeur qui auparavant étaient trop coûteux à remplacer ou irréparable7.
Afin d’atteindre les dimensions géométriques voulues et les propriétés des matériaux, il est vital d’établir les paramètres appropriés,8. Plusieurs études ont été entreprises pour élucider la relation entre les paramètres de processus et les propriétés finales de l’échantillon déposé. Peyre et al. 9 construit quelques parois minces avec des paramètres différents processus et puis eux caractérisés à l’aide de profilométrie 2D et 3D. Ils ont montré que l’épaisseur de la couche et fonte piscine volume affectent les paramètres de rugosité sensiblement. Vim et al. 10 a proposé un modèle afin d’analyser la relation entre les paramètres du procédé et des caractéristiques géométriques d’une couche de revêtement unique (hauteur vêtu, vêtues de largeur et profondeur de pénétration).
À ce jour, plusieurs études sur le DED de Ti alliages ont été rapportés, plus dont axée sur l’influence de la combinaison de paramètres sur les propriétés des échantillons massifs11,12,4. Eddy et al. étudié l’effet de balayage vitesse et poudre de débit sur les propriétés obtenues de l’alliage métallique de la Ti-6Al-4V déposé de laser. Ils ont constaté qu’en augmentant la vitesse de balayage et de la poudre à débit la microstructure changé de Widmanstätten à une microstructure martensitique, qui se traduit par une augmentation de la rugosité et la microdureté des spécimens déposés7. Néanmoins, moins attention a été accordée à la conception de la mise d’épaisseur de couche. Choi et al. ont étudié la corrélation entre l’épaisseur de la couche et les paramètres du procédé. Ils ont constaté que les principales sources d’erreur entre la hauteur actuelle et la hauteur réelle l’épaisseur couche et taux de débit massique de poudre mise13. Leurs études n’implémentent pas correctement de réglage d’épaisseur de couche parce qu’ils comportaient des processus longs et inexactes dans le réglage d’épaisseur de couche. Ruan et al. ont étudié l’effet de vitesse sur la hauteur de la couche déposée à une puissance constante laser et poudre alimentation taux14à balayage laser. Ils ont proposé certains modèles empiriques pour réglage d’épaisseur de couche qui ont été obtenus dans des conditions de traitement spécifique, et donc le réglage d’épaisseur de couche peut-être pas précis en raison de l’utilisation des paramètres de processus spécifique15. Contrairement aux précédentes œuvres, l’épaisseur de la couche définissant le processus proposé dans ce manuscrit est une méthode rapide qui peut être effectuée sans perte de temps et matériaux.
L’objectif principal de ce travail est de développer une méthode rapide pour la détermination de l’épaisseur de la couche selon les caractéristiques des voies simples de l’alliage de Ti-6Al-4V à paramètres du procédé DED optimales. Par la suite, les paramètres de processus optimal sont employés pour déterminer une épaisseur de la couche et de fabriquer des blocs de Ti-6Al-4V haute densités sans perdre de temps et de matériaux.
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Protocole
1. caractérisation de poudre
- Mettre 3 g d’à partir de poudres de Ti-6Al-4V sur une bande de carbone collant double-face, qui se trouve sur un talon de tige d’aluminium et insérer à l’intérieur de la chambre de spécimen d’un Microscope électronique à balayage-émission de champ (FESEM) pour analyser la morphologie de la poudre de16.
- Mesurer la masse volumique apparente de la poudre en remplissant un conteneur de3 de 30 cm et de mesurer le poids de poudre selon la norme ASTM-B212.
- Effectuer des analyses chimiques d’amorce en poudre utilisé en poudre (5 à 10 g), (5-10 g) et déposé case (20 g) au moyen de l’élémentaire (p. ex., Leco) et inductivement couplé plasma (ICP) analyseur17.
2. ordonné le dépôt d’énergie de Single Tracks
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Chargement de poudre
- Porter des équipements de protection individuelle, y compris un masque respiratoire FFP3 conforme aux exigences de EN 149, gants en nitrile non poudré jetable et lunettes de protection en plastique.
- Ouvrir la trémie de la poudre de système d’alimentation et d’utiliser une hotte aspirante (p. ex., ATEX) pour enlever la poudre résiduelle.
- Retirez la trémie en suivant les instructions données par le constructeur et nettoyer tous les composants à l’aide d’essuie-tout imbibé d’éthanol.
Remarque : Cette étape est fondamentale pour éviter la contamination par différents types de poudres métalliques. - Remonter la poudre trémie d’alimentation en suivant les instructions données par le constructeur. Laisser de côté le bouchon de la trémie afin d’effectuer le chargement de la poudre.
- Charger la trémie avec des poudres de Ti-6Al-4V ayant la granulométrie de l’ordre de 50 à 150 µm. selon la taille de la trémie disponible, remplissez-le complètement.
- Très bien fermer le bouchon de la trémie afin d’éviter toute fuite de gaz.
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Préparation de l’échantillon
- Prendre une feuille de Ti-6Al-4V avec dimensions 50 x 50 mm et 4 mm d’épaisseur.
- Nettoyer la surface de la feuille de titane avec des essuie-tout imbibé d’éthanol. Mesurer le poids de la feuille avec un équilibre centésimal.
- Placez la feuille sur la zone de travail selon la position du marqueur. La zone de travail, c’est où le dépôt aura lieu, alors il est déterminé selon le chemin d’accès programmé du robot.
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Préparation du Robot et de préparation de l’équipement du dépôt
- Monter la buse sur la tête du laser afin que l’angle entre l’axe de la buse et l’axe du laser est de 35°.
- Déplacez le robot au travail point de départ pour effectuer l’étalonnage.
- Vérifiez la distance entre la buse et le plan de travail et, le cas échéant, corriger manuellement la position de la buse jusqu'à ce que la distance mesurée est de 5 mm.
Remarque : Étant donné que la zone de travail pose sur un plan horizontal, cette distance est la distance verticale entre la tôle et l’extrémité de la buse. - Vérifier le centrage de la prise de bec avec le laser : tout d’abord, allumez le guide laser en cliquant sur la commande « Laser Guide ON » sur le logiciel pour le contrôle du laser. Ensuite, placez une tige mince, mesurant 0. 8 mm de diamètre et 200 mm de long, à l’intérieur de la buse. Vérifiez que l’extrémité de la tige et la tache du guide laser sont coïncidents. Si ce n’est pas le cas, ajuster manuellement la position de l’embout, en respectant les distances et les angles indiqués précédemment.
Remarque : dans ce cas, le diamètre extérieur de la buse est 1 mm ; Si on utilise un embout avec un plus petit diamètre, utilisez une tige dont le diamètre est inférieur à celui de la buse. - Vérifier les données d’étalonnage écrites dans le logiciel de contrôle de robot : cliquez sur le bouton « Appliquer » sur le logiciel et attendez que la compilation du code.
Remarque : Le logiciel va vérifier pour trouver des erreurs dans le code ; Si aucune erreur n’est détectée, le code est stocké sur le contrôleur de robot. Si des erreurs sont détectées, le code ne sera pas compilé, et autres révision est nécessaires. - Activer le module de source laser en cliquant sur la commande « Activer la Laser » sur le logiciel de contrôle de laser.
Remarque : La source laser indépendants est un laser à fibres continues émettant dans la région infrarouge (1064 nm) avec une puissance maximum de 5 kW. - Activer les moteurs du robot en poussant le bouton « Robot moteurs sur » sur l’armoire de commande du robot et vérifier que la sécurité des LED est allumée : si oui, cela signifie que les moteurs sont activés.
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Démarrer le processus de dépôt
- Sélectionnez le fichier approprié dans la liste des programmes existants et charger le chemin de travail dans la routine principale de robot.
- Vérifiez que les paramètres laser et robot : régler la puissance de laser de puissance laser spécifique (325, 650, 980, 1500 W) et la vitesse du robot à une vitesse donnée (30, 40, 50, 60 mm/s).
Remarque : Ces paramètres sont écrits dans le logiciel de contrôle du robot, selon le langage spécifique de la machine. - Confirmer les nouveaux paramètres en appuyant sur le bouton « Appliquer » sur le logiciel et attendez que la compilation du code. Le logiciel va vérifier pour trouver des erreurs dans le code ; Si aucune erreur n’est détectée, le code est mémorisé sur le contrôleur de robot et il est prêt à être lancé. Lancer la routine de robot en appuyant sur le bouton « Démarrer » sur le logiciel de contrôle de robot.
- Ramasser l’échantillon à l’aide de la pince spéciale et nettoyez la surface avec un essuie-tout imbibé d’éthanol pour enlever toute poudre résiduelle de l’échantillon.
3. analyser les pistes individuelles
- Analyser les pistes individuelles du haut par un microscope stéréo à un grossissement de X 5.
Remarque : À ce stade, certaines images sont prises au moyen d’un microscope stéréo et analysés visuellement. - Couper les pistes individuelles à partir du milieu des titres déposés perpendiculairement à la direction de dépôt en utilisant un outil de découpe précise.
- Monter la section transversale de pistes individuelles en résine époxy. Choisir une coupe de montage et placer le spécimen propre et sec en elle. Mesurer les quantités appropriées de résine avec soin en poids (10 g/échantillon), puis mélanger avec un durcisseur liquid (6 g/échantillon). Versez le mélange de résine sur le spécimen et laisser les tasses remplies de montage pour guérir pendant 30 min à température ambiante. Par la suite, moudre les spécimens montés avec 500, 800 et 1 200 papier SiC taille de grain et puis polir à l’aide de la pâte de diamant à la taille plus fine des particules de diamant (1 µm).
- Analyser les surfaces polies en termes de forme et de la porosité au moyen d’un microscope optique. Acquérir les images des bassins de fonte avec le microscope optique à grossissement de 10 X et ensuite les analyser à l’aide du logiciel Image-J.
- Mesurer la hauteur des bassins de fonte en mesurant la distance entre le dessus et le fond de la piscine de fonte. Ensuite, tracer la hauteur mesurée de fonte piscines en fonction de la densité d’énergie spécifique, qui est calculée selon l’équation correspondante. En effet, la densité d’énergie peut être calculée par l’équation suivante :
- Monter un 2ème ordre polynomial sur les résultats expérimentaux pour obtenir l’équation correspondant à l’épaisseur de la couche en fonction de la densité d’énergie spécifique.
- Considérons une densité d’énergie spécifique et calculer l’épaisseur de la couche d’après leur relation, qui a été observée dans l’étape précédente.
- Pour vérifier la méthode, fabriquer un bloc multicouche en tenant compte de l’épaisseur de la couche calculée et ensuite caractériser la section des blocs en fonction de la porosité et de la hauteur finale.
- Analyser la microstructure du bloc fabriqué après un polissage pas dans la même procédure que celle de l’article 3.3. En effet, après le polissage final, etch les échantillons pendant 30 s avec le réactif de Kroll, qui contient 92 mL d’eau distillée, 6 mL d’acide nitrique et d’acide fluorhydrique 2 mL.
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Résultats
Pour les études expérimentales, poudre de Ti-6Al-4V irrégulière avec une taille moyenne de 50 à 150 µm et la masse volumique apparente de 1,85 g/cm3 travaillait comme dépôt de matériel (Figure 1). L’analyse chimique de la poudre a confirmé que le contenu d’oxygène et d’azote de la poudre n’a pas changé avant et après le processus de dépôt, tandis que dans les deux cas, la teneur en oxygène est supérieure à la teneur en oxygène standard de Ti-6Al-4V...
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Discussion
Dans cet ouvrage, l’accent était sur le paramètre de largeur tranchage dans le processus DED de Ti-6Al-4V, selon la géométrie des caractéristiques piscine fonte. À cette fin, un protocole en deux étapes a été défini et utilisé. La première partie du protocole était une optimisation des paramètres de processus pour les dépôts de balayage unique et, au cours de cette étape, les paramètres optimaux ont été atteints et les géométries de piscine de fonte ont été mesurés. Dans la deuxième partie du protocole, la densité d’éner...
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Déclarations de divulgation
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Remerciements
Les auteurs aimerait remercier le projet de recherche européen appartenant au programme de recherche et d’innovation Horizon 2020 Borealis - la classe énergétique de 3 a Machine Flexible pour le nouvel additif et soustractif de fabrication sur la prochaine génération de 3D complexes pièces métalliques
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Matériaux
| Nom | Entreprise | Numéro de catalogue | Commentaires |
|---|---|---|---|
| Ti-6Al-4V poudre | Xi' Nouveau matériau Tianrui | Comme matériau de départ | |
| Observation microstructurale | |||
| Microscope électronique à balayage par émission de champ | Merlin-Zeiss | Observation microstructurelle | |
| Stéréomicroscope | Leica | ||
| LEC1- CS444 ANALYSEUR | IncoTest | Analyse chimique | |
| LEC3 - ELTRA OHN2000 ANALYSEUR | IncoTest | Analyse chimique | |
| LEC2 - LECO TC436AR ANALYSEUR | IncoTest | Analyse chimique | |
| ICP | IncoTest | Analyse chimique | |
| IRB 4600 | ABB | Robot antropomorphe | |
| GTV PF | GTV | Système d’alimentation en poudre | |
| YW 52 | Precitec | Tête laser | |
| Buses | IRIS | Buse pour alimentation en poudres | |
| YLS 3000 | IPG Photonique | Source laser |
Références
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Réimpressions et autorisations
