W tym badaniu, opracowano szybką metodę opartą na charakterystyce stopionego jeziorka, aby oszacować grubość warstwy składników Ti-6Al-4V wytwarzanych przez ukierunkowane osadzanie energii.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Wytwarzanie pojedynczych ścieżek Ti-6Al-4V metodą ukierunkowanego osadzania energii w celu określenia grubości warstwy do osadzania wielowarstwowego
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Ukierunkowane osadzanie energii (DED), które jest techniką wytwarzania przyrostowego, polega na stworzeniu stopionego basenu za pomocą wiązki laserowej, gdzie proszek metalowy jest wstrzykiwany jako cząstki. Ogólnie rzecz biorąc, technika ta jest stosowana do wytwarzania lub naprawy różnych elementów. W tej technice na końcowe cechy wpływa wiele czynników. Rzeczywiście, jednym z głównych zadań w budowaniu komponentów przez DED jest optymalizacja parametrów procesu (takich jak moc lasera, prędkość lasera, ogniskowanie itp.), która jest zwykle przeprowadzana poprzez szeroko zakrojone badania eksperymentalne. Jednak tego rodzaju eksperyment jest niezwykle długotrwały i kosztowny. W związku z tym, w celu przyspieszenia procesu optymalizacji, przeprowadzono badania mające na celu opracowanie metody opartej na charakterystyce basenu stopionego. W rzeczywistości w tych eksperymentach pojedyncze ścieżki Ti-6Al-4V zostały zdeponowane w procesie DED z wieloma kombinacjami mocy i prędkości lasera. Przeanalizowano morfologię powierzchni i wymiary pojedynczych torów oraz oceniono charakterystyki geometryczne jeziorek stopowych po wypolerowaniu i wytrawieniu przekrojów. Pomocne informacje dotyczące doboru optymalnych parametrów procesu można uzyskać, badając cechy jeziorka stopu. Eksperymenty te są rozszerzane w celu scharakteryzowania większych bloków z wieloma warstwami. Rzeczywiście, manuskrypt ten opisuje, w jaki sposób możliwe byłoby szybkie określenie grubości warstwy dla masywnego osadzania i unikanie nadmiernego lub niedostatecznego osadzania zgodnie z obliczoną gęstością energii optymalnych parametrów. Oprócz nadmiernego lub niedostatecznego osadzania, oszczędność czasu i materiałów to inne wielkie zalety tego podejścia, w którym osadzanie elementów wielowarstwowych można rozpocząć bez żadnej optymalizacji parametrów pod względem grubości warstwy.
Wprowadzenie
Ti-6Al-4V jest najczęściej używanym stopem Ti w przemyśle lotniczym, lotniczym, motoryzacyjnym i biomedycznym ze względu na wysoki stosunek wytrzymałości do masy, doskonałą odporność na pękanie, niski ciężar właściwy, doskonałą odporność na korozję i możliwość obróbki cieplnej. Jednak jego dalszy rozwój w innych zastosowaniach jest trudny ze względu na niską przewodność cieplną i wysoką reaktywność, co skutkuje słabą skrawalnością. Ponadto, ze względu na zjawiska utwardzania na gorąco podczas cięcia, należy przeprowadzić specjalną obróbkę cieplną1,2,3,4.
Niemniej jednak, technologie wytwarzania przyrostowego (AM) wykazały duży potencjał do wykorzystania jako nowe techniki produkcji, które mogą obniżyć cenę i zużycie energii, a także rozwiązać niektóre z obecnych wyzwań w produkcji stopu Ti-6Al-4V.
Techniki wytwarzania przyrostowego są znane jako innowacyjne i mogą wytwarzać komponent o kształcie zbliżonym do netto w sposób warstwa po warstwie. Podejście do wytwarzania przyrostowego warstwa po warstwie, które dzieli model projektowania wspomaganego komputerowo (CAD) na cienkie warstwy, a następnie buduje komponent warstwa po warstwie, ma fundamentalne znaczenie dla wszystkich metod AM. Ogólnie rzecz biorąc, wytwarzanie przyrostowe materiałów metalowych można podzielić na cztery różne procesy: łoże proszkowe, podawanie proszku (rozdmuchiwany proszek), podawanie drutu i inne trasy3,5,6.
Ukierunkowane osadzanie energii (DED) to klasa wytwarzania przyrostowego i jest to proces rozdmuchiwania proszku, który wytwarza trójwymiarowe (3D) części bryłowe o kształcie zbliżonym do netto z pliku CAD, podobnie jak inne metody AM. W przeciwieństwie do innych technik, DED może być stosowany nie tylko jako metoda produkcji, ale może być również stosowany jako technika naprawy części o wysokiej wartości. W procesie DED metaliczny proszek lub drut jest podawany przez gaz nośny lub silniki do jeziorka stopionego, który jest generowany przez wiązkę lasera na podłożu lub wcześniej osadzonej warstwie. Proces DED jest obiecującym, zaawansowanym procesem produkcyjnym, który jest w stanie zmniejszyć stosunek buy-to-fly, a także jest w stanie naprawić części o wysokiej wartości, które wcześniej były zbyt drogie do wymiany lub nie do naprawienia7.
Aby osiągnąć pożądane wymiary geometryczne i właściwości materiału, konieczne jest ustalenie odpowiednich parametrów8. Podjęto szereg badań w celu wyjaśnienia zależności między parametrami procesu a końcowymi właściwościami zdeponowanej próbki. Peyre i wsp.9 zbudował kilka cienkich ścianek o różnych parametrach procesu, a następnie scharakteryzował je za pomocą profilometrii 2D i 3D. Wykazały one, że grubość warstwy i objętość jeziorka stopionego zauważalnie wpływają na parametry chropowatości. Vim i wsp. 10 zaproponował model w celu analizy relacji między parametrami procesu a cechami geometrycznymi pojedynczej warstwy okładziny (wysokość okładziny, szerokość okładziny i głębokość penetracji).
Do tej pory opisano kilka badań nad DED stopów Ti, z których większość skupiała się na wpływie kombinacji parametrów na właściwości masywnych próbek11,12,4. Rasheedat i wsp. badano wpływ prędkości skanowania i natężenia przepływu proszku na uzyskane właściwości stopu Ti-6Al-4V osadzonego laserowo w metalu. Odkryli, że poprzez zwiększenie prędkości skanowania i szybkości przepływu proszku mikrostruktura zmieniła się z Widmanstätten na mikrostrukturę martenzytyczną, co skutkuje wzrostem chropowatości powierzchni i mikrotwardości osadzonych próbek7. Niemniej jednak mniej uwagi poświęcono projektowaniu ustawienia grubości warstwy. Choi i wsp. zbadali korelację między grubością warstwy a parametrami procesu. Odkryli, że głównymi źródłami błędu między obecną wysokością a rzeczywistą wysokością są natężenie przepływu masy proszku i ustawienie grubości warstwy13. Ich badania nie implementowały prawidłowo ustawiania grubości warstwy, ponieważ obejmowały długotrwałe i niedokładne procesy ustawiania grubości warstwy. Ruan i wsp. Zbadali wpływ prędkości skanowania laserowego na wysokość osadzonej warstwy przy stałej mocy lasera i szybkości podawania proszku14. Zaproponowali oni kilka empirycznych modeli ustawiania grubości warstwy, które uzyskano w określonych warunkach przetwarzania, a zatem ustawienie grubości warstwy może nie być precyzyjne ze względu na wykorzystanie określonych parametrów procesu15. W przeciwieństwie do poprzednich prac, proces ustalania grubości warstwy zaproponowany w tym manuskrypcie jest szybką metodą, którą można przeprowadzić bez marnowania czasu i materiałów.
Głównym celem tej pracy jest opracowanie szybkiej metody określania grubości warstwy na podstawie charakterystyki pojedynczych ścieżek stopu Ti-6Al-4V przy optymalnych parametrach procesu DED. Następnie stosuje się optymalne parametry procesu w celu określenia grubości warstwy i wytworzenia bloków Ti-6Al-4V o dużej gęstości bez marnowania czasu i materiałów.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Protokół
1. Charakterystyka proszku
- Nanieście 3 g początkowych proszków Ti-6Al-4V na dwustronną klejącą taśmę węglową umieszczoną na aluminiowym kolcu do próbek, a następnie wprowadźcie je do komory próbkowej skaningowego mikroskopu elektronowego z emisją polową (FESEM), aby przeanalizować morfologię proszku16.
- Zmierzcie gęstość nasypową proszku poprzez wypełnienie nim naczynia o objętości 30 cm3 i zważenie proszku zgodnie ze standardem ASTM-B212.
- Przeprowadźcie analizę chemiczną proszku początkowego (5 - 10 g), proszku zużytego (5 - 10 g) oraz osadzonego bloku (20 g) za pomocą analizatora pierwiastkowego (np. Leco) oraz analizatora z plazmą sprzężoną indukcyjnie (ICP)17.
2. Osadzanie energii kierunkowanej w postaci pojedynczych ścieżek
- Załadunek proszku
- Należy stosować środki ochrony indywidualnej, w tym maskę przeciwpyłową FFP3 zgodną z wymogami normy EN 149, jednorazowe nitrylowe rękawice bezpudrowe oraz ochronne okulary z tworzywa sztucznego.
- Otwórz zasobnik systemu podawania proszku i użyj wyciągu (np. ATEX) w celu usunięcia pozostałości proszków.
- Zdemontuj zasobnik zgodnie z odpowiednimi instrukcjami producenta i oczyść każdy element za pomocą ręczników papierowych nasączonych etanolem.
UWAGA: Krok ten jest kluczowy dla uniknięcia zanieczyszczenia różnymi rodzajami proszków metali. - Zmontuj ponownie zasobnik systemu podawania proszku zgodnie z instrukcjami producenta. Pozostaw jedynie odkręconą górną pokrywę zasobnika, aby przeprowadzić załadunek proszku.
- Wypełnij zasobnik proszkami Ti-6Al-4V o granulometrii w zakresie 50 - 150 µm. W zależności od rozmiaru dostępnego zasobnika, wypełnij go całkowicie.
- Bardzo szczelnie zamknij górną pokrywę zasobnika, aby uniknąć wycieku gazu.
- Przygotowanie próbki
- Wybierz arkusz Ti-6Al-4V o wymiarach 50 mm x 50 mm i grubości 4 mm.
- Oczyść powierzchnię arkusza tytanowego ręcznikami papierowymi nasączonymi etanolem. Zmierz masę arkusza za pomocą wagi centymetrycznej.
- Umieść arkusz w obszarze roboczym zgodnie z położeniem znacznika. Obszar roboczy to miejsce, w którym nastąpi osadzanie, dlatego jest on wyznaczony zgodnie z zaprogramowaną ścieżką robota.
- Przygotowanie robota i sprzętu do osadzania
- Zamontuj dyszę na głowicy laserowej w taki sposób, aby kąt między osią dyszy a osią lasera wynosił 35°.
- Przesuń robota do początkowego punktu roboczego w celu przeprowadzenia kalibracji.
- Sprawdź odległość między dyszą a płaszczyzną roboczą i w razie potrzeby ręcznie skoryguj położenie dyszy, aż zmierzona odległość wyniesie 5 mm.
UWAGA: Ponieważ obszar roboczy znajduje się w płaszczyźnie poziomej, odległość ta jest odległością pionową między arkuszem metalu a końcówką dyszy. - Sprawdź centrowanie wylotu dyszy względem lasera: najpierw włącz prowadnicę laserową, klikając polecenie „Laser Guide ON” w oprogramowaniu do sterowania laserem. Następnie włóż do dyszy cienki pręt o średnicy 0,8 mm i długości 200 mm. Zweryfikuj, czy końcówka pręta i plamka prowadnicy laserowej pokrywają się. Jeśli nie, ręcznie dostosuj położenie dyszy, przestrzegając wcześniej wskazanych odległości i kątów.
UWAGA: W tym przypadku średnica zewnętrzna dyszy wynosi 1 mm; jeśli stosowana jest dysza o mniejszej średnicy, należy użyć pręta o średnicy mniejszej niż średnica dyszy. - Zweryfikuj dane kalibracyjne wprowadzone do oprogramowania sterującego robotem: kliknij przycisk „Apply” w oprogramowaniu i poczekaj na kompilację kodu.
UWAGA: Oprogramowanie sprawdzi kod pod kątem błędów; jeśli nie zostaną wykryte żadne błędy, kod zostanie zapisany w sterowniku robota. Jeśli wykryto błędy, kod nie zostanie skompilowany i będzie wymagana dalsza rewizja. - Włącz moduł źródła lasera, klikając polecenie „Laser enable” w oprogramowaniu sterującym laserem.
UWAGA: Zastosowanym źródłem lasera jest ciągły laser światłowodowy emitujący w obszarze podczerwieni (1064 nm) o maksymalnej mocy 5 kW. - Włącz silniki robota, naciskając ręcznie przycisk „Robot Motors on” na szafie sterowniczej robota, i sprawdź, czy zapaliła się powiązana dioda LED bezpieczeństwa: jeśli tak, oznacza to, że silniki są włączone.
- Uruchomienie procesu osadzania
- Wybierz odpowiedni plik z istniejącej listy programów i załaduj ścieżkę roboczą do głównej rutyny robota.
- Sprawdź parametry lasera i robota: ustaw moc lasera na konkretną wartość (325, 650, 980, 1500 W) oraz prędkość robota na określoną wartość (30, 40, 50, 60 mm/s).
UWAGA: Parametry te są wpisywane do oprogramowania sterującego robotem zgodnie z konkretnym językiem maszyny. - Zatwierdź nowe parametry, naciskając przycisk „Apply” w oprogramowaniu, i poczekaj na kompilację kodu. Oprogramowanie sprawdzi kod pod kątem błędów; jeśli nie zostaną wykryte żadne błędy, kod zostanie zapisany w sterowniku robota i będzie gotowy do uruchomienia. Uruchom rutynę robota, naciskając przycisk „START” w oprogramowaniu sterującym robotem.
- Pobierz próbkę za pomocą specjalnych szczypiec i oczyść powierzchnię próbki ręcznikiem papierowym nasączonym etanolem, aby usunąć wszelkie pozostałości proszku.
3. Analiza pojedynczych ścieżek
- Przeanalizować pojedyncze ślady od góry za pomocą stereomikroskopu przy powiększeniu 5X.
UWAGA: Na tym etapie niektóre obrazy są rejestrowane przy użyciu stereomikroskopu i analizowane wizualnie. - Wytnij pojedyncze ścieżki ze środka naniesionych ścieżek prostopadle do kierunku nanoszenia, używając precyzyjnego narzędzia tnącego.
- Zatop przekrój poprzeczny pojedynczych śladów w żywicy epoksydowej. Wybierz odpowiedni uchwyt do zatapiania i umieść w nim czystą i suchą próbkę. Odważ dokładnie odpowiednią ilość żywicy (10 g/próbkę), a następnie zmieszaj ją z utwardzaczem w postaci cieczy (6 g/próbkę). Wlej mieszaninę żywicy na próbkę i pozostaw wypełnione uchwyty do utwardzenia na 30 min w temperaturze pokojowej. Następnie szlifuj zatopione próbki papierem ściernym SiC o gradacjach 500, 800 i 1200, a potem poleruj za pomocą pasty diamentowej, stosując coraz mniejsze rozmiary cząstek diamentu (1 µm).
- Przeanalizować wypolerowane powierzchnie pod kątem kształtu i porowatości przy użyciu mikroskopu optycznego. Wykonać zdjęcia jeziorek ciekłego metalu za pomocą mikroskopu optycznego przy 10-krotnym powiększeniu, a następnie poddać je analizie z wykorzystaniem oprogramowania Image-J.
- Zmierz wysokość jeziorek spawalniczych, określając odległość między ich górną a dolną krawędzią. Następnie przedstaw zmierzoną wysokość jeziorek spawalniczych jako funkcję gęstości energii właściwej, obliczonej zgodnie z odpowiednim równaniem. Gęstość energii można obliczyć za pomocą następującego równania:
- Dopasuj 2nd wyznacz wielomian na podstawie wyników eksperymentalnych, aby otrzymać równanie opisujące grubość warstwy jako funkcję właściwej gęstości energii.
- Należy przyjąć określoną gęstość energii i obliczyć grubość warstwy zgodnie z zależnością zaobserwowaną w poprzednim kroku.
- Aby zweryfikować metodę, należy wykonać blok wielowarstwowy, uwzględniając obliczoną grubość warstw, a następnie scharakteryzować przekrój bloków pod kątem porowatości i wysokości końcowej.
- Przeanalizuj mikrostrukturę wykonanego bloku po etapie polerowania, zgodnie z procedurą opisaną w sekcji 3.3. Po końcowym polerowaniu poddaj próbki trawieniu przez 30 s za pomocą odczynnika Krolla, który składa się z 92 ml wody destylowanej, 6 ml kwasu azotowego i 2 ml kwasu fluorowodorowego.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wyniki
Do badań eksperymentalnych jako materiał do osadzania wykorzystano nieregularny proszek Ti-6Al-4V o średniej wielkości cząstek 50 - 150 µm i gęstości pozornej 1,85 g/cm3 (Rysunek 1). Analiza chemiczna proszku potwierdziła, że zawartość tlenu i azotu w proszku nie uległa zmianie przed i po procesie osadzania, przy czym w obu przypadkach zawartość tlenu była wyższa niż standardowa zawartość tlenu w proszku Ti-6Al-4V stosowanym w wytwarzaniu przyrosto...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Dyskusja
W niniejszej pracy skupiono się na ustawieniu grubości krojenia w procesie DED Ti-6Al-4V, zgodnie z geometrią charakterystyki jeziorka stopionego. W tym celu zdefiniowano i wykorzystano dwuetapowy protokół. Pierwszą częścią protokołu była optymalizacja parametrów procesu dla osadzania pojedynczym skanem i na tym etapie osiągnięto optymalne parametry oraz zmierzono geometrie jeziorka stopu. W drugiej części protokołu obliczono gęstość energii właściwej próbek przy optymalnych parametrach. Na tym etapie wysokość jeziorka s...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Oświadczenia
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Podziękowania
Autorzy pragną podziękować europejskiemu projektowi badawczemu należącemu do programu badań i innowacji Horyzont 2020 Borealis - elastyczna maszyna klasy energetycznej 3A do nowej produkcji addytywnej i subtraktywnej na nowej generacji złożonych części metalowych 3D
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Ti-6Al-4V proszek | Xi' Nowy materiał | Jako materiał wyjściowy | |
| Precyzyjny nóż ISOMET | Bohler | Do cięcia próbek | |
| Maszyna do polerowania | Presi | Do polerowania próbek | |
| Żywica EpoFix | Presi | Do montażu próbek | |
| Pasta diamentowa | Presi | Do polerowania | |
| Mikroskop optyczny | Leica | Obserwacja mikrostrukturalna | |
| Skaningowy mikroskop elektronowy z emisją w polu | Merlin-Zeiss | Obserwacja mikrostrukturalna | |
| Mikroskop stereoskopowy | Analizator Leica | ||
| LEC1- CS444 Analiza | IncoTest | Analiza chemiczna | |
| LEC3 - ELTRA OHN2000 ANALIZATOR | IncoTest | Analiza chemiczna | |
| LEC2 - ANALIZATOR | TC436AR LECOIncoTest | Analiza chemiczna | |
| ICP | IncoTest | Analiza chemiczna | |
| IRB 4600 | ABB | Robot antropomorficzny | |
| GTV PF | GTV | System podawania proszku | |
| YW 52 | Precitec | Głowica laserowa | |
| Dysze | IRIS | Dysza do podawania proszków | |
| YLS 3000 | IPG Fotonika | Źródło laserowe |
Bibliografia
- 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).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedruki i uprawnienia
