In dit onderzoek, is een snelle methode op basis van de karakterisering van het zwembad van de smelt ontwikkeld voor het inschatten van de laagdikte van Ti-6Al-4V onderdelen geproduceerd door afzetting van gerichte energie.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Productie van enkele Tracks van Ti-6Al-4V door afzetting van gerichte energie om te bepalen van de laagdikte voor gelaagde afzetting
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
Gericht energie afzetting (DED), oftewel een additieve productietechniek, impliceert de oprichting van een gesmolten zwembad met een laserstraal waar metaalpoeder als deeltjes wordt geïnjecteerd. In het algemeen, is deze techniek aangewend om te fabriceren of herstellen van verschillende componenten. Bij deze techniek, worden de definitieve kenmerken beïnvloed door vele factoren. Inderdaad, een van de belangrijkste taken in het bouwen van onderdelen door DED is de optimalisatie van procesparameters (zoals de macht van de laser, laser snelheid, focus, etc.), die meestal door middel van een uitgebreide experimenteel onderzoek wordt uitgevoerd. Dit soort experiment is echter uiterst langdurige en kostbare. Dus, om te versnellen naar de optimization procédé, een onderzoek werd uitgevoerd om het ontwikkelen van een methode gebaseerd op de smelt zwembad karakterisaties. In feite, in deze experimenten, werden enkele nummers van Ti-6Al-4V afgezet door een DED proces met meerdere combinaties van de macht van de laser en laser snelheid. Oppervlakte morfologie en afmetingen van enkele nummers werden geanalyseerd en geometrische eigenschappen van de smelt zwembaden werden geëvalueerd na polijsten en etsen van de dwarsdoorsneden. Nuttige informatie met betrekking tot de selectie van optimale procesparameters kan worden bereikt door het onderzoek van de smelt zwembad functies. Deze experimenten worden uitgebreid om het karakteriseren van de grotere blokken met meerdere lagen. Inderdaad, dit manuscript beschrijft hoe het zou mogelijk zijn om snel te bepalen de laagdikte voor de enorme depositie, en vermijden of onder afzetting volgens de berekende dichtheid van de energie van de optimale parameters. Afgezien van de over of onder depositie zijn tijd en materialen opslaan de andere grote voordelen van deze benadering waarin de afzetting van gelaagde componenten kan worden gestart zonder enige parameter optimalisatie in termen van laagdikte.
Inleiding
TI-6Al-4V is de meest gebruikte legering van de Ti in het lucht-en ruimtevaart, vliegtuig, automobiel, en biomedische industrie vanwege zijn hoge sterkte-gewicht verhouding, uitstekende breuk-taaiheid, laag soortelijk gewicht, uitstekende corrosieweerstand en warmte treatability. Echter, de verdere ontwikkelingen in andere toepassingen zijn uitdagend, als gevolg van zijn lage thermische geleidbaarheid en hoge reactiviteit functies, die resulteren in haar arme zaagt. Bovendien, als gevolg van de hitte verharding verschijnselen tijdens het uitsnijden, een soortelijke warmtebehandeling moet worden ondernomen1,2,3,4.
Additief (AM) productietechnologieën toonde echter groot potentieel om te worden gebruikt als nieuwe productietechnieken die kunnen verminderen de prijs en energieverbruik, en ingaan op enkele van de huidige uitdagingen in de fabricage van Ti-6Al-4V legering.
Additieve fabricagetechnieken staan bekend als innovatief en een in de omgeving van netto vorm kunnen fabriceren component in een laag-voor-laag-mode. Een laag-voor-laag additive manufacturing aanpak, die een Computer Aided Design (CAD)-model plakjes in dunne lagen en dan bouwt het onderdeel laag voor laag, is van fundamenteel belang voor alle methoden van de AM. In het algemeen, additieve vervaardiging van metalen voorwerpen kan worden onderverdeeld in vier verschillende processen: poeder bed, poeder (geblazen poeder) voeden, draad feed en andere routes3,5,6.
Gericht energie afzetting (DED) is een klasse van additieve productie en is een proces van geblazen poeder dat driedimensionale (3D) produceert in de buurt van vaste delen van de netto vorm vanuit een CAD-bestand vergelijkbaar met andere methoden van AM. In tegenstelling tot andere technieken, DED kan niet alleen worden gebruikt als een productiemethode, maar ook kan worden gebruikt als een reparatie techniek voor hoogwaardige onderdelen. In het proces van DED, metaalachtig poeder of draad materiaal wordt gevoed door een draaggas of motoren in het zwembad, smelt, dat wordt gegenereerd door de laser beam op ofwel het substraat of eerder laag heeft afgezet. De DED is een veelbelovende geavanceerde fabrieksmatige productie-proces dat in staat van vermindering van de buy-to-fly-verhouding is, en is ook geschikt voor het repareren van hoogwaardige onderdelen die eerder waren onbetaalbaar om te vervangen of onherstelbare7.
Oog op de gewenste geometrische afmetingen en eigenschappen van het materiaal, is het belangrijk om vast te stellen van de juiste parameters8. Verschillende studies hebben plaatsgevonden aan de verheldering van de relatie tussen procesparameters en de uiteindelijke eigenschappen van de gestorte monster. Peyre et al. 9 sommige dunne muren met verschillende procesparameters gebouwd, en hen vervolgens gekenmerkt met behulp van 2D- en 3D-profilometry. Zij toonden aan dat laagdikte en smelt zwembad volume van invloed zijn op de ruwheid parameters merkbaar. Vim et al. 10 voorgesteld een model om te analyseren van de relatie tussen de procesparameters en de geometrische kenmerken van een interne bekleding laag (geklede height, geklede breedte en diepte van penetratie).
Tot op heden, verschillende studies over DED van Ti zijn legeringen gemeld, meest waarvan gericht op de invloed van de combinatie van parameters op Eigenschappen enorme monsters11,,12,4. Rasheedat et al. bestudeerde het effect van scan snelheid en poeder debiet op de resulterende eigenschappen van de laser metalen gedeponeerde Ti-6Al-4V legering. Zij vonden dat door het verhogen van de snelheid van de scan en poeder debiet de microstructuur veranderd van Widmanstätten tot een martensitische microstructuur, wat in een toename van de oppervlakteruwheid en de microhardness van gestorte exemplaren7 resulteert. Echter heeft minder aandacht besteed aan het ontwerpen van de instelling van de dikte van de laag. Choi et al.. hebben onderzocht de correlatie tussen de laagdikte en procesparameters. Zij hebben gevonden dat de belangrijkste bronnen van fout tussen de huidige hoogte en de werkelijke hoogte zijn de poeder massastroom tarief en laag dikte instellen van13. Instelling van de dikte van de laag wordt deed niet goed geïmplementeerd in hun studie omdat ze lang en de onnauwkeurige processen in de laag dikte instelling betrokken. Ruan et al. hebben onderzocht het effect van laser scansnelheid op de laaghoogte van de gedeponeerde op een constante laser macht en poeder voederen tarief14. Zij hebben sommige empirische modellen voorgesteld voor de instelling van de dikte van de laag die zijn verkregen onder bepaalde procescondities, en dus de laag dikte instelling niet mogelijk precieze als gevolg van het gebruik van specifiek proces parameters15. In tegenstelling tot voorgaande werken is de laagdikte instellen proces voorgesteld in dit manuscript een snelle methode die kan worden uitgevoerd zonder verspilling van tijd en materialen.
De belangrijkste focus van dit werk is een snelle methode voor de bepaling van de laagdikte op basis van de kenmerken van de single tracks van de Ti-6Al-4V legering bij optimale DED procesparameters te ontwikkelen. Daarna, zijn de optimale procesparameters werkzaam voor het bepalen van een laagdikte en fabriceren van high-density Ti-6Al-4V blokken zonder verspilling van tijd en materialen.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Protocol
1. poeder karakterisering
- 3 g Ti-6Al-4V poeders te starten op een kleverige koolstof dubbelzijdige tape, die is gelegen op een aluminium pin stub en invoegen in de kamer van het specimen van een Scannende elektronenmicroscoop (FESEM) van de veld-uitstoot voor het analyseren van de morfologie van de poeder16plaatsen
- Meten van de schijnbare dichtheid van het poeder door het invullen van een container van de3 30 cm en het gewicht van poeder volgens de norm ASTM-B212 meet.
- Chemische analyses van het starten van poeder (5-10 g), gebruikt poeder (5-10 g) en gedeponeerd blok (20 g) door middel van elemental (b.v., Leco) en inductief gekoppeld plasma (ICP) analyzer17uit te voeren.
2. gericht energie afzetting van enkele Tracks
-
Poeder laden
- Draag persoonlijke beschermende uitrusting, met inbegrip FFP3 respiratoire invoermasker voldoen aan de eisen van nl 149, wegwerp Poedervrije nitril handschoenen en beschermende plastic glazen.
- Open de trechter van het poeder voersysteem en een afzuigkap (bijvoorbeeldATEX) gebruiken voor het verwijderen van de resterende poeders.
- Verwijder de trechter door de juiste instructies gegeven door de constructor en reinig elke component met behulp van ethanol gedrenkte papieren handdoeken.
Opmerking: Deze stap is van fundamenteel belang om verontreiniging te voorkomen door verschillende soorten metaalpoeders. - Monteer het poeder hopper voeden door het volgen van de instructies van de constructor. Buiten beschouwing laten alleen het bovenste GLB van de bak om het laden van het poeder.
- Laad de hopper met Ti-6Al-4V poeders korrelgrootteverdeling hebben in het bereik van 50-150 µm. afhankelijk van de grootte van de beschikbare bak, vul het volledig.
- Sluit de bovenste GLB van de bak zeer strak teneinde eventuele lekkage gas.
-
Bereiding van het monster
- Kies een Ti-6Al-4V blad met afmetingen van 50 mm x 50 mm en 4 mm dikte.
- Reinig het oppervlak van het blad van de titanium met ethanol gedrenkte papieren handdoeken. Het gewicht van het blad te meten met een centesimal evenwicht.
- Leg het vel op het werkgebied volgens de positie van de markering. Het werkgebied is waar de afzetting zal plaatsvinden, zodat het wordt bepaald volgens de geprogrammeerde pad van de robot.
-
Voorbereiding van de Robot en de voorbereiding van de depositie-apparatuur
- Het mondstuk op de laser hoofd zo monteren dat de hoek tussen het mondstuk en de as van de laser 35 is °.
- Verplaatsen de robot naar het beginpunt van de werken uit te voeren van de kalibratie.
- De afstand tussen het mondstuk en het vliegtuig werkende te controleren en, indien nodig, handmatig corrigeren het standpunt van het mondstuk tot de gemeten afstand 5 mm is.
Opmerking: Aangezien het werkgebied op een horizontaal vlak legt, deze afstand is de verticale afstand tussen de metalen plaat en het uiteinde van de verstuiver. - Controleer de centrering van het mondstuk stopcontact met de laser: eerst, de gids van de laser inschakelen door te klikken op de opdracht "Laser Guide ON" in de software voor de controle van de laser. Dan, zet een dunne staaf, meten van 0,8 mm in diameter en 200 mm in lengte, binnen het mondstuk. Controleer of de punt van de staaf en de plek van de laser-gids samenvallen. Als dat niet het geval is, de positie van de verstuiver, met inachtneming van de afstanden en hoeken eerder aangegeven handmatig aanpassen.
Opmerking: In dit geval de buitendiameter van de verstuiver is 1 mm; Als een mondstuk met een kleinere diameter wordt gebruikt, gebruikt u een staaf waarvan buitendiameter kleiner dan dat van de verstuiver is. - Controleer of de kalibratiegegevens geschreven in de robot controlesoftware: Klik op de knop "Apply" op de software, en wacht voor de opstelling van de code.
Opmerking: De software zal controleren op fouten in de code; Als er geen fouten zijn gevonden, wordt de code opgeslagen op de robot controller. Als er fouten worden gedetecteerd, de code zal niet worden gecompileerd en verdere herziening nodig zal zijn. - Activeer de laser bron module door te klikken op de opdracht 'Laser inschakelen' in de software van de controle van de laser.
Opmerking: De werknemer laserbron is een continue fiberlaser uitstoten in de infrarood-regio (1064 nm) met 5 kW maximaal vermogen. - Inschakelen van de robot de motoren door manueel het duwen van de knop "Robot motoren op" op de schakelkast van de robot, en controleer dat de gerelateerde veiligheid LED verlicht: als dus, dat betekent dat de motoren zijn ingeschakeld.
-
De depositie te starten
- Selecteer het juiste bestand op de bestaande programmalijst en laadt het pad van de werken in de belangrijkste robot routine.
- Controleer de parameters laser en robot: Stel de macht van de laser om de macht van de specifieke laser (325, 650, 980, 1500 W) en de snelheid van de robot op een bepaalde snelheid (30, 40, 50, 60 mm/s).
Opmerking: Deze parameters zijn geschreven in de controlesoftware van de robot, volgens de specifieke taal van de machine. - De nieuwe parameters te bevestigen door het indrukken van de knop "Apply" op de software, en wacht voor de opstelling van de code. De software zal controleren op fouten in de code; Als er geen fouten worden gedetecteerd, de code is opgeslagen op de robot controller en het is klaar voor de start. Start de robot-routine door te drukken de knop "START" op de robot controlesoftware.
- Het monster met behulp van de speciale nipper halen en reinigen van het oppervlak van de steekproef met een ethanol gedrenkte papieren handdoek voor het verwijderen van alle resterende poeder.
3. Analyseer de Single Tracks
- Analyseer de enkele tracks van de bovenkant door een stereomicroscoop bij 5 X vergroting.
Opmerking: In dit stadium, sommige beelden zijn genomen door middel van een stereo microscoop en visueel geanalyseerd. - Snijden de enkele tracks uit het midden van de gedeponeerde tracks loodrecht op de afzetting met behulp van een hulpprogramma exact snijden.
- Monteer de doorsnede van enkele tracks in epoxyhars. Kies een montage kop en plaats van het schoon en droog model erin. Meet de juiste hoeveelheid hars zorgvuldig door gewicht (10 g/sample) en meng met een vloeibare verharder (6 g/sample). Het hars-mengsel giet in het model en laat de gevulde montage cups te genezen gedurende 30 minuten bij kamertemperatuur. Daarna vermalen van de gemonteerde specimens met 500, 800 en 1200 grit SiC papierformaat, en vervolgens polijsten met behulp van diamant plakken neer aan de fijnere grootte van diamant deeltjes (1 µm).
- De gepolijste oppervlakken in termen van vorm en porositeit analyseren door middel van een optische Microscoop. Verwerven van de beelden van smelt zwembaden met de optische Microscoop op 10 X vergroting, en deze vervolgens te analyseren met behulp van beeld-J software.
- Meet de hoogte van de smelt zwembaden door het meten van de afstand tussen de bovenkant en de bodem van het zwembad van de smelt. Daarna de gemeten hoogte van smelt zwembaden worden uitgezet als functie van de specifieke dichtheid van de energie, die is berekend op basis van de bijbehorende vergelijking. Inderdaad, de energiedichtheid kan worden berekend door de volgende vergelijking:
- Past een polynomiale 2nd -volgorde op de experimentele resultaten te verkrijgen van de vergelijking die overeenkomt met de laagdikte als een functie van de specifieke dichtheid van de energie.
- Overwegen een specifieke dichtheid van de energie, en bereken de laagdikte volgens hun relatie, die werd waargenomen in de vorige stap.
- Controleer de methode, het fabriceren van een gelaagde blok door te overwegen de berekende laagdikte en vervolgens het karakteriseren van de sectie van blokken in termen van porositeit en definitieve hoogte.
- De microstructuur van het gefabriceerde blok analyseren nadat een polijsten stap in dezelfde procedure als punt 3.3. In feite, na het laatste polijsten, etch de monsters voor 30 s met Kroll de reagens, waarin 92 mL gedestilleerd water, 6 mL salpeterzuur en 2 mL waterstoffluoride.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Resultaten
Voor de experimentele studies, was onregelmatige Ti-6Al-4V poeder met een gemiddelde grootte van 50-150 µm en schijnbare dichtheid van 1.85 g/cm3 werkzaam als storten materiaal (Figuur 1). De chemische analyse van het poeder bevestigd dat de inhoud van het zuurstof en stikstof van het poeder niet veranderde vóór en na het proces van de depositie, terwijl in beide gevallen het zuurstofgehalte hoger was dan het standaard zuurstofgehalte van Ti-6Al-4V...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
In dit werk lag de focus op de segmenteringshulplijnen dikte-instelling in het DED proces van Ti-6Al-4V, volgens de geometrie van de smelt zwembad kenmerken. Voor dit doel, was een tweestaps-protocol gedefinieerd en gebruikt. Het eerste deel van het protocol was een optimalisering van procesparameters voor één scan afzetting tijdens deze stap, de optimale parameters werden bereikt en de smelt zwembad geometrieën werden gemeten. In het tweede deel van het protocol, werd de specifieke energiedichtheid van monsters bij de o...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Openbaarmakingen
De auteurs hebben niets te onthullen.
Dankbetuigingen
De auteurs wil erkennen het Europese onderzoeksproject die behoren tot de Horizon 2020-programma voor onderzoek en innovatie Borealis - de energieklasse van 3A flexibele Machine voor de nieuwe additieve en subtractieve productie op de volgende generatie van complexe 3D metalen onderdelen
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Ti-6Al-4V poeder | Xi’Tianrui nieuw materiaal | Als uitgangsmateriaal | |
| ISOMET precisiesnijder | Böhler | Om de monsters te snijden | |
| Polijstmachine | Presi | Om de monsters te polijsten | |
| EpoFix-hars | Presi | Om de monsters te monteren | |
| Diamantpasta | Presi | Voor polijsten | |
| Optische microscoop | Leica | Microstructurele observatie | |
| Veld emissie rasterelektronenmicroscoop | Merlin-Zeiss | Microstructurele observatie | |
| Stereo microscoop | Leica | ||
| LEC1- CS444 ANALYSER | IncoTest | Chemische analyse | |
| LEC3 - ELTRA OHN2000 ANALYSER | IncoTest | Chemische analyse | |
| LEC2 - LECO TC436AR ANALYSER | IncoTest | Chemische analyse | |
| ICP | IncoTest | Chemische analyse | |
| IRB 4600 | ABB | Antropomorfe robot | |
| GTV PF | GTV | Poedervoedingssysteem | |
| YW 52 | Precitec | Laserkop | |
| Spuitmonden | IRIS | Spuitmond voor het voeren van poeders | |
| YLS 3000 | IPG Photonics | Laserbron |
Referenties
- Banerjee, D., Williams, J. C. Perspectives on Titanium Science and Technology. Acta Mater. 61 (3), 844-879 (2013).
- Peters, M. Titanium and Titanium Alloys. Leyens, C., Peters, M. , WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. (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. , In-Press (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), Basel. 856-869 (2013).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Herprints en machtigingen
