הפקה של רצועות יחיד של Ti-6Al-4V על-ידי האנרגיה התצהיר כדי לקבוע את עובי השכבה עבור התצהיר מרובת שכבות

סיכום

במחקר זה, שיטה מהירה מבוסס על אפיון בריכה להמיס מפותחת כדי להעריך את עובי השכבה של רכיבי Ti-6Al-4V המיוצר על ידי אנרגיה מכוונת התצהיר.

תקציר

ביים אנרגיה התצהיר (DED), שהוא שיטת הייצור מוספים, כולל הקמת בריכה מותכת עם קרן לייזר שבו מוזרק אבקת מתכת כמו חלקיקים. באופן כללי, בטכניקה זו משתמשים לפברק או לתקן מרכיבים שונים. בטכניקה זו, המאפיינים הסופי מושפעות מגורמים רבים. אכן, הוא אחד מתפקידיו העיקריים בבניית רכיבים מאת DED אופטימיזציה של תהליך הפרמטרים (כגון עוצמת הלייזר, מהירות לייזר, מיקוד, וכו ') אשר מתבצע בדרך כלל באמצעות חקירה נסיונית נרחב. אולם, זה סוג של ניסוי הוא ארוך ויקר מאוד. לכן, על מנת להאיץ את תהליך אופטימיזציה, חקירה נערך לפתח שיטה המבוססת על אפיוני בריכה להמיס. למעשה, בניסויים אלה, רצועות יחיד של Ti-6Al-4V הופקדו על ידי תהליך DED עם צירופים מרובים של לייזר עוצמה ומהירות לייזר. מורפולוגיה של פני השטח ואת הממדים של רצועות יחיד נותחו, מאפיינים גיאומטריים של בריכות להמיס הוערכו לאחר ליטוש ו תחריט של חתכים. מידע שימושי לגבי הבחירה של האופטימלית תהליך פרמטרים יכולה להיות מושגת על ידי בחינת התכונות בריכה להמיס. ניסויים אלה להיות מורחבות כדי לאפיין את רחובות גדולות יותר עם מספר שכבות. ואכן, כתב יד זה מתאר איך זה ניתן יהיה לקבוע במהירות את עובי השכבה לתצהיר מסיבית, ולהימנע מעל או מתחת בתצהיר על פי צפיפות האנרגיה מחושב של האופטימלית הפרמטרים. מלבד ' מעל או מתחת התצהיר, זמן וחומרים שמירת הם היתרונות הגדולים האחרים של גישה זו שבה ניתן להתחיל בתצהיר של רכיבים מרובת שכבות ללא כל אופטימיזציה פרמטר מבחינת עובי השכבה.

מבוא

Ti-6Al-4V הוא הכי נפוץ Ti סגסוגת במטוס, תעופה וחלל, כלי רכב, ותעשיות ביו בשל יחס חוזק למשקל גבוה, קשיחות שבר מעולה, משקל סגולי נמוך, עמידות מצוינת בפני קורוזיה, חום treatability. עם זאת, מאתגרת את התפתחויות נוספות ביישומים אחרים, בשל מוליכות חום נמוכה והתכונות שלה תגובתיות גבוהה, והתוצאה machinability המסכן שלה. יתר על כן, בשל החום התקשות תופעות במהלך החיתוך, טיפול ספציפי בחום חייב להיות להתבצע^1,2,3,4.

למרות זאת, תוסף (AM) בטכנולוגיות ייצור הראה פוטנציאל גדול כדי לשמש טכניקות הייצור החדש יכול להפחית את מחיר וצריכת האנרגיה, ולא להתמודד עם האתגרים הנוכחיים בייצור של Ti-6Al-4V סגסוגת.

טכניקות הייצור מוספים מכונים חדשניים ולא יכולים לפברק צורה נטו ליד רכיבים אופנה שכבה אחרי שכבה. בגישה הייצור מוספים שכבה אחרי שכבה, אשר פרוסות עיצוב תכנון בעזרת מחשב (CAD) מודל לתוך שכבות דק, ואז נבנה את הרכיב שכבה אחרי שכבה, הוא היסוד עבור כל שיטות AM. באופן כללי, ניתן לחלק הייצור מוספים חומרים מתכתיים ארבעה תהליכים שונים: אבקת מיטה, אבקת להאכיל (אבקת מפוצץ), חוט להאכיל ו אחרים מסלולים^3,5,6.

בבימויו של אנרגיה התצהיר (DED) הן מחלקה של הייצור מוספים הוא תהליך blown אבקת fabricates תלת מימדי (3D) ליד חלקים מוצק צורה נטו מתוך קובץ CAD דומה לשיטות אחרות AM. לעומת טכניקות אחרות, DED לא ניתן להשתמש רק כשיטת הייצור, אבל גם יכול להיות מועסק טכניקה תיקון עבור חלקים בעלי ערך גבוה. בתהליך DED, חומר אבקה או חוט מתכתי מוזן על ידי המוביל גז או מנועים לתוך הבריכה להמיס, אשר נוצר על ידי הלייזר קרן על אחת את המצע או בעבר להפקיד שכבה. התהליך DED הוא תהליך ייצור מתקדמות מבטיח כי הוא מסוגל להקטין את היחס לקנות-כדי-לעוף, גם הוא מסוגל תיקון חלקים בעלי ערך גבוה שהיו בעבר לחדשו להחליף או בלתי הפיך⁷.

על מנת להשיג את הממדים גיאומטרי הרצוי ואת תכונות החומר, זה חיוני להקים פרמטרים מתאימים⁸. מספר מחקרים שבוצעו ליצירת להבהיר את הקשר בין הפרמטרים תהליך של מאפייני המדגם הופקדו הסופי. . Peyre et al. ⁹ כמה קירות דקים עם פרמטרים שונים ולאחר מכן שאפיינה אותם באמצעות profilometry 2D and 3D. הם הראו כי שכבת עובי ונפח בריכה להמיס להשפיע על הפרמטרים חספוס באופן ניכר. Vim ואח. ¹⁰ הציע מודל על מנת לנתח את הקשר בין תהליך פרמטרים מאפיינים גיאומטריים של שכבת חיפוי יחיד (גובה בלבוש, בלבוש רוחב ועומק של חדירה).

נכון להיום, מספר מחקרים על DED של Ti סגסוגות דווחו, ביותר אשר התמקדו השפעת השילוב של פרמטרים על המאפיינים של דגימות מסיבית^11,12,4. Rasheedat et al. למד את ההשפעה של קצב הזרימה אבקת ומהירות סריקה על מאפייני וכתוצאה מכך לייזר הופקדו Ti-6Al-4V סגסוגת מתכת. הם מצאו כי על ידי הגדלת מהירות סריקה של אבקת קצב הזרימה מיקרו שינתה מן Widmanstätten מיקרו martensitic, כשהתוצאה היא תוספת קבועה של חספוס פני השטח, את microhardness של הפקיד דגימות⁷. יחד עם זאת, פחות תשומת לב הוקדשה עיצוב הגדרת עובי השכבה. צ'וי ואח. יש חקר הקשר בין עובי השכבה לבין תהליך פרמטרים. הם מצאו כי המקורות העיקריים של שגיאה בין הגובה הנוכחי הגובה בפועל הם אבקת זרימת מסה וקצב שכבה בעובי הגדרת¹³. המחקרים שלהם לא ליישם כהלכה הגדרת עובי השכבה כי הם מעורבים תהליכים ארוכים ולא מדויקות בקביעת עובי השכבה. Ruan ואח. חקרו את השפעת המהירות על הגובה שכבה הפקיד עוצמת הלייזר מתמדת, אבקת האכלה שיעור¹⁴סריקת לייזר. הם הציעו כמה מודלים אמפיריים להגדרת עובי השכבה אשר התקבלו בתנאים עיבוד ספציפי, ולכן ההגדרה עובי השכבה ויתכן שלא יהיה מדויק בשל הניצול של תהליך ספציפי פרמטרים¹⁵. בניגוד עבודות קודמות, עובי השכבה הגדרת תהליך הציע בכתב היד היא שיטה מהירה אשר יכול להתבצע מבלי לבזבז זמן וחומרים.

המוקד העיקרי של עבודה זו היא לפתח שיטה מהירה לקביעת עובי השכבה בהתבסס על מאפייני המסילה יחיד של הסגסוגת Ti-6Al-4V-אופטימום DED תהליך פרמטרים. לאחר מכן, הפרמטרים של האופטימלית תהליך מועסקים כדי לקבוע את עובי השכבה, הרכיבו בלוקים Ti-6Al-4V בצפיפות גבוהה מבלי לבזבז זמן וחומרים.

פרוטוקול

1. אבקת אפיון

1. לשים 3 גר' החל Ti-6Al-4V אבקות בקלטת פחמן דביק דו-צדדי, אשר ממוקם על ספח pin אלומיניום, להוסיף בתוך תא הדגימה של פליטת שדה לסרוק בעזרת מיקרוסקופ אלקטרון (FESEM) כדי לנתח את המורפולוגיה של אבקת ה-¹⁶.
2. למדוד צפיפות לכאורה של האבקה על-ידי מילוי מיכל³ 30 ס מ, למדוד את המשקל של אבקת לפי תקן ASTM-B212.
3. לבצע ניתוח כימי של הפעלת ולהשתמש באבקה (5-10 גרם), אבקת (5-10 גרם), הופקדו בלוק (20 גרם) באמצעות היסודות (למשל, Leco) ועל inductively בשילוב פלזמה (ICP) מנתח¹⁷.

2. האנרגיה בתצהיר של רצועות יחיד

1. אבקת טעינה
   1. ללבוש ציוד מגן אישי, כולל מסכת נשימה FFP3 תואם לדרישות של EN 149, ללא אבקת חד פעמיות nitrile כפפות, משקפי מגן פלסטיק.
   2. לפתוח את הופר של האבקה מערכות האכלה ולהשתמש ונטה (למשל, ATEX) עבור הסרת את אבקות שיורית.
   3. להסיר הופר על-ידי ביצוע ההוראות המתאימות שניתנו על ידי הבנאי ולנקות כל רכיב באמצעות מגבות נייר ספוג אתנול.
      הערה: השלב זה מהותי כדי למנוע זיהום על ידי סוגים שונים של אבקות מתכת.
   4. להרכיב מחדש את האבקה האכלה הופר על-ידי ביצוע ההוראות שניתנו על-ידי הבנאי. השאר בצד רק הכיפה העליונה של הופר על מנת לבצע את הטעינה של האבקה.
   5. לטעון את הופר עם אבקות Ti-6Al-4V שיש ברמת גסות בטווח של 50-150 מיקרומטר. בהתאם לגודל של הופר זמין, למלא אותו לחלוטין.
   6. סגור את הכובע העליון של הופר בחוזקה על מנת למנוע כל דליפת גז.
2. הכנת המדגם
   1. בחר גיליון Ti-6Al-4V עם מידות 50 מ"מ x 50 מ"מ, עובי 4 מ מ.
   2. לנקות את השטח של גיליון טיטניום עם מגבות נייר ספוג אתנול. למדוד את המשקל של הגיליון עם מאזן centesimal.
   3. מניחים את הסדין על אזור העבודה בהתאם למיקום של דה מרקר. אזור העבודה היא איפה התצהיר יתקיים, כך נקבע לפי הנתיב מתוכנתים של הרובוט.
3. הכנה של הרובוט, הכנת הציוד התצהיר
   1. הר הזרבובית על הראש לייזר כך הזווית בין הציר זרבובית לציר לייזר הוא 35°.
   2. הזז את הרובוט לנקודת עבודה ההתחלה כדי לבצע את הכיול.
   3. לבדוק את המרחק בין הצינור המטוס לעבוד ולתקן, במידת הצורך, ידנית את מיקום הצינור עד המרחק שנמדד הוא 5 מ מ.
      הערה: מאז אזור העבודה מטילה על מישור אופקי, במרחק הזה הוא המרחק האנכי בין משטח המתכת קצה הזרבובית.
   4. בדוק את מרכוז של השקע זרבובית עם הלייזר: ראשית, לעבור על המדריך לייזר על-ידי לחיצה על הפקודה "לייזר מדריך על" על תוכנת שליטה של הלייזר. אז, לשים מוט דק, מדידת 0.8 מ מ קוטר ו-200 מ מ אורך, בתוך הצינור. ודא כי קצה המוט ואת המקום של המדריך לייזר חופפות. אם לא, כוונן באופן ידני את המיקום של הנחיר, כיבוד מרחקים וזוויות שצוינו קודם לכן.
      הערה: במקרה זה, הקוטר החיצוני של הצינור הוא 1 מ מ; אם מועסק זרבובית בקוטר קטן יותר, השתמש מוט בקוטר הוא קטן יותר מזה של הצינור.
   5. לאמת את הנתונים כיול שיכתבו את תוכנת שליטה הרובוט: לחץ על כפתור "החל" על התוכנה, ולחכות ההידור של הקוד.
      הערה: התוכנה לבדוק שגיאות בקוד ה; אם לא נמצאו שגיאות, הקוד מאוחסן בבקר רובוט. אם נמצאו שגיאות, לא יהיה הידור הקוד, בהמשך יהיה צורך מהדורה.
   6. להפעיל את המודול מקור לייזר על-ידי לחיצה על הפקודה 'הפעל לייזר' על תוכנת שליטה לייזר.
      הערה: מקור לייזר מועסקים הוא לייזר סיבים רציף פולטות באזור אינפרא-אדום (1064 ננומטר) עם 5 קילוואט חשמל מרבית.
   7. להפעיל המנועים של הרובוט על ידי באופן ידני ללחוץ על הכפתור "הרובוט מנועים על" על השידה הבקרה של הרובוט, ולבדוק כי הבטיחות הקשורים LED מואר: אם אז זה אומר כי המנועים מופעלים.
4. להתחיל בתהליך דפוזיציה
   1. בחר את הקובץ המתאים על רשימת התוכניות הקיימות, לטעון את נתיב העבודה לתוך השגרה רובוט הראשי.
   2. בדוק את הפרמטרים לייזר ורובוט: להגדיר את עוצמת הלייזר את עוצמת הלייזר ספציפי (325, 650, 980, 1500 W) ומהירות רובוט במהירות הנתונה (30, 40, 50, 60 מ מ/s).
      הערה: פרמטרים אלה נכתבות לתוך התוכנה הבקרה של הרובוט, בהתאם לשפה ספציפית של המכונה.
   3. לאשר את הפרמטרים חדש על-ידי לחיצה על כפתור "החל" התוכנה, ולחכות ההידור של הקוד. התוכנה לבדוק שגיאות בקוד ה; אם לא נמצאו שגיאות, הקוד מאוחסנים של בקר הרובוט, וזה שחיכינו. הפעל את השגרה רובוט על-ידי לחיצה על לחצן "התחל" תוכנת שליטה הרובוט.
5. לאסוף את הדגימה באמצעות את אוחז מיוחד, לנקות את השטח מדגם מגבת נייר ספוג אתנול להסרת שאריות אבקה.

3. לנתח את הרצועות אחת

1. לנתח את הרצועות אחת מלמעלה על ידי מיקרוסקופ סטריאו בהגדלה X 5.
   הערה: בשלב זה, כמה תמונות שצולמו במיקרוסקופ סטריאו, ניתח באופן חזותי.
2. חותכים את הרצועות אחת מהאמצע של המסילה הופקדו בניצב לכיוון התצהיר באמצעות כלי חיתוך מדויק.
3. הר חתך הרוחב של המסלולים יחיד שרף אפוקסי. בחר ספל הרכבה ולמקם את הדגימה נקי ויבש בתוכו. למדוד את הסכומים נכונים של שרף בקפידה לפי משקל (10 גר' דוגמה), ואז מערבבים עם במינראליים נוזלי (6 g/דוגמה). שופכים את התערובת-שרף הדגימה ולהשאיר את הכוסות מלאות הרכבה לרפא למשך 30 דקות בטמפרטורת החדר. לאחר מכן, לטחון דגימות נטענים עם 500, 800 נייר SiC בגודל של חצץ 1,200 ולאחר מכן פולנית באמצעות יהלום הדבק אל הגדלים עדינה יותר של חלקיקי יהלום (1 מיקרומטר).
4. לנתח את משטחים מלוטשים מבחינת הצורה, נקבוביות באמצעות מיקרוסקופ אופטי. לרכוש התמונות של בריכות להמיס עם מיקרוסקופ אופטי בהגדלה X 10 ולאחר מכן לנתח אותם באמצעות תוכנה תמונה-J.
5. למדוד את גובהם של בריכות להמיס על ידי מדידת המרחק בין העליון והתחתון של הבריכה להמיס. לאחר מכן, להתוות את הגובה נמדד של בריכות להמיס כפונקציה של צפיפות אנרגיה ספציפיים, אשר מחושב לפי המשוואה המתאימה שלו. אכן, צפיפות האנרגיה יכול להיות מחושב על ידי המשוואה הבאה:
   
6. מתאים צו 2^nd פולינום על תוצאות הניסוי כדי לקבל את המשוואה התואם עובי השכבה כפונקציה של צפיפות אנרגיה ספציפיים.
7. שקול צפיפות אנרגיה ספציפיים, לחשב את עובי השכבה על פי מערכת היחסים שלהם, אשר נצפתה בשלב הקודם.
8. כדי לוודא את השיטה, לפברק בלוק רב שכבתי על ידי התחשבות בעובי השכבה מחושב ולאחר מכן לאפיין את המקטע של בלוקים במונחים של נקבוביות והגובה הסופי.
9. ניתוח של מיקרו של גוש מפוברק לאחר ליטוש להתערב בתהליך שפורט בסעיף 3.3. למעשה, לאחר הליטוש הסופי, לחרוט את הדגימות ב-30 s עם ריאגנט של קרול, אשר מכיל mL 92 מזוקקים מים 6 מ ל חומצה חנקתית, 2 מ ל חומצה הידרופלואורית.

תוצאות

ללימודים ניסיונית, לא סדיר אבקת Ti-6Al-4V עם גודל ממוצע של 50-150 מיקרומטר וצפיפות לכאורה של 1.85 גרם/ס"מ³ הועסק הפקדת חומר (איור 1). ניתוח כימי של האבקה אישר כי תכולת חמצן, חנקן האבקה לא השתנה לפני ואחרי תהליך התצהיר, ואילו בשני המקרים תכולת החמצן היה גבוה יותר מאשר תכולת החמצן הרגיל של Ti-6Al-4V אבקת הייצור מוספים (< 0.13%). עם זאת, התוכן חמצן, חנקן של הרכיבים בצובר גדל אחרי העדות.

<...

דיון

בעבודה זאת, הפוקוס היה על הגדרת עובי חיתוך בתהליך DED של Ti-6Al-4V, לפי הצורה הגיאומטרית של מאפייני בריכה להמיס. למטרה זו, פרוטוקול שני שלבים מוגדרים, מנוצל. החלק הראשון של הפרוטוקול היה לאופטימיזציה של תהליך פרמטרים עבור סריקה בודדת התצהיר, במהלך שלב זה, הפרמטרים אופטימום הושגו, גיאומטריות בריכה להמיס נמדדו. בחלק השני של הפרוטוקול, צפיפות האנרגיה ספציפי של דגימות בכל הפרמטרים אופטימום מחושב. בשלב זה, הגובה של הבריכה להמיס סומן כפונקציה של צפיפות אנרגיה, בשלב קריטי זה, ניתן להשיג את עובי השכבה לתצהיר מרובת שכבות.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה

שם	חברה	מספר קטלוג	הערות
אבקת Ti-6Al-4V	Xi' חומר חדש Tianrui	כחומר מוצא
			תצפית מיקרו-מבנית
מיקרוסקופ אלקטרונים סורק פליטת שדה	Merlin-Zeiss		תצפית מיקרו-מבנית
מיקרוסקופ סטריאו	Leica
LEC1- CS444 ANALYZER	IncoTest		ניתוח כימי
LEC3 - ELTRA OHN2000 ANALYZER	IncoTest		ניתוח כימי
LEC2 - מנתח	TC436AR LECOIncoTest		ניתוח כימי
ICP	IncoTest		ניתוח כימי
IRB 4600	ABB		רובוט אנטרופומורפי
GTV PF	GTV		מערכת הזנת אבקה
YW 52	ראש לייזר	Precitec
	IRIS		לאבקות האכלה
YLS 3000	IPG מקור לייזר פוטוניקה

חותך דיוק ISOMET Bohler כדי לחתוך את הדגימות מכונת ליטוש Presi כדי ללטש את הדגימות שרף EpoFix Presi כדי להרכיב את הדגימות משחת יהלום Presi לליטוש מיקרוסקופ אופטי Leica חרירי זרבובית