В этом исследовании быстрый метод, основанный на расплава бассейн характеристика разрабатывается для оценки толщина слоя Ti-6Al-4V компоненты, произведенные направленной энергии осаждения.
Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.
Методическая статья
Производство одного трека Ti-6Al-4V осаждением направленной энергии для определения толщины слоя многослойных осаждения
В этой статье
Краткое содержание
Аннотация
Направленной энергии осаждения (DED), которая представляет собой метод аддитивного производства, предполагает создание сварочной ванне с лазерным лучом где металлический порошок вводится как частицы. В общем этот метод используется для изготовления или ремонта различных компонентов. В этой технике окончательные характеристики зависят от многих факторов. Действительно одна из главных задач в создании компонентов, дед является оптимизация параметров процесса (например, мощность лазера лазерная скорость, фокус, и т.д.), который обычно осуществляется через обширное экспериментальное исследование. Однако такого рода эксперимента является чрезвычайно длительным и дорогостоящим. Таким образом чтобы ускорить процесс оптимизации, разработать метод, основанный на характеристики расплава бассейн было проведено расследование. В самом деле в этих экспериментах, одного трека Ti-6Al-4V были сданы на хранение дед процесса с несколькими комбинации мощности лазера и скорость лазерной. Были проанализированы поверхности морфологии и размеры отдельных дорожек, и геометрические характеристики расплава бассейны были оценены после полировки и травления сечений. Полезную информацию относительно выбора оптимальных технологических параметров может быть достигнуто путем изучения особенностей бассейна расплава. Эти эксперименты расширяются характеризовать большие блоки с несколькими слоями. Действительно эта рукопись описывает, как его можно быстро определить толщину слоя для массовых осаждений и избегать чрезмерной или недостаточной осаждения согласно вычисляемых плотность энергии оптимальных параметров. Помимо более или недостаточного осаждения время и материалы экономии являются другие большие преимущества этого подхода, в котором осаждения многослойных компонентов может быть запущен без параметров оптимизации с точки зрения толщины слоя.
Введение
Ti-6Al-4V является наиболее широко используемым сплава Ti в аэрокосмической, самолеты, автомобили и биомедицинской промышленности из-за его высокое отношение прочности к весу, отличные трещиностойкость, низкий удельный вес, отличную коррозионную стойкость и тепла излечения. Однако его дальнейшее развитие событий в других приложениях являются сложными, благодаря своей низкой теплопроводностью и высокой реактивности функции, которые приводят к его плохой обрабатываемостью. Кроме того из-за жары, упрочнения явлений во время резки, теплоемкость лечение должно быть предприняты1,2,3,4.
Тем не менее Аддитивные производства (AM) технологии показали большой потенциал для использования в качестве новых методов производства, которые могут уменьшить стоимость и потребление энергии и решить некоторые из нынешних проблем в изготовление сплава Ti-6Al-4V.
Аддитивного производства методы известны как инновационные и может изготовить вблизи чистой форме компонент в моде слой за слоем. Слой за слоем аддитивного производства подход, который ломтиками компьютер автоматизированного проектирования (CAD) модель в тонких слоях и затем строит компонент слой за слоем, имеет основополагающее значение для всех методов AM. В общем, аддитивного производства металлических материалов можно разделить на четыре различных процессов: порошок кровать, порошок, корма (ветром порошок), подачи проволоки и другие маршруты3,5,6.
Направленной энергии осаждения (DED) является классом аддитивного производства и ветром порошок процесс, который использует трехмерные (3D) вблизи чистой форме твердых частей из файла CAD похож на другие методы AM. В отличие от других методов дед может использоваться не только как метод производства, но также могут быть использованы как ремонт техники для высокой стоимости деталей. В процессе дед металлический порошок или проволока материал подается газ-носитель или двигатели в пул расплава, который генерируется лазерного луча на либо субстрат или ранее на хранение слоя. DED процесс является перспективным передовых производственный процесс, который способен снижения коэффициента купить к лету, а также способен ремонт высокое значение частей, которые ранее были слишком дорогими заменить или непоправимого7.
Для достижения желаемого геометрические размеры и свойства материала, жизненно важно создать соответствующие параметры8. Был предпринят ряд исследований для прояснения взаимосвязи между окончательный свойства наплавленного образца и параметры процесса. Peyre и др. 9 построен некоторые тонкие стены с различных технологических параметров, а затем охарактеризовал их с помощью 2D и 3D profilometry. Они показали, что толщина слоя и расплава бассейн объемом влияют на параметры шероховатости заметно. Vim и др. 10 предложена модель для того, чтобы проанализировать связь между параметрами процесса и геометрические характеристики одной облицовки слоя (плакированные высоты, одетый ширина и глубина проникновения).
На сегодняшний день, несколько исследований на дед Ti сплавов поступало, Последнее из которых сосредоточены на влияние комбинация параметров на свойства массивных образцы11,12,4. Rasheedat и др. Изучено влияние проверки скорости и порошок скорость потока на результате свойства лазера на хранение Ti-6Al-4V сплава. Они обнаружили, что, увеличивая скорость сканирования и порошок скорость потока микроструктуры изменено с Widmanstätten на мартенситные микроструктуры, что приводит к приращение шероховатости поверхности и микротвердость депонированных образцов7. Тем не менее меньше внимания было уделено разработке параметра Толщина слоя. Чой и др. исследовали корреляции между толщина слоя и параметры процесса. Они обнаружил, что основными источниками ошибок между нынешней высоты и фактическая высота порошок массы потока скорость и слой толщиной установка13. Их исследования не осуществлять должным образом параметр толщина слоя потому, что они связаны с длительным и неточные процессы в параметре толщины слоя. Ruan и др. исследовали эффект лазерного сканирования скорость на высоту наплавленного слоя в мощности постоянного лазера и порошок, кормления ставка14. Они предложили некоторые эмпирические модели для параметра Толщина слоя, которые были получены при обработке конкретных условиях, и таким образом параметр толщина слоя не может быть точным из-за использования конкретного процесса параметры15. В отличие от предыдущих работ толщина слоя, Настройка процесса, предложенного в этой рукописи является быстрый метод, который может выполняться без лишних затрат времени и материалов.
Основное внимание этой работы заключается в разработке быстрый метод для определения толщины слоя, основанный на характеристиках отдельных дорожек сплава Ti-6Al-4V на оптимальные параметры процесса DED. После этого оптимального процесса параметры используются для определения толщины слоя и изготовить высокой плотности Ti-6Al-4V блоков без тратить время и материалы.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Протокол
1. порошок характеристика
- Положите 3 g начиная Ti-6Al-4V порошков на ленте-двухсторонние липкие углерода, который расположен на алюминиевой PIN-код заглушки и вставить в камере образца Автоэмиссионные сканирующий электронный микроскоп (FESEM) для анализа морфологии порошок16.
- Измерить насыпная плотность порошка, заполнив контейнер3 30 см и измерить вес порошка в соответствии со стандартом ASTM-B212.
- Химический анализ начиная порошка (5-10 г), используемые порошка (5-10 г) и хранение блока (20 g) с помощью элементарного (например, Леко) и индуктивно сочетании плазмы (ICP) анализатор17.
2. направленной энергии осаждения отдельных дорожек
-
Загрузка порошка
- Носите средства индивидуальной защиты, включая респираторные маски FFP3, соответствует требованиям EN 149, Непудренные Одноразовые нитриловые перчатки и защитные пластиковые очки.
- Откройте Хоппер порошка, системы кормления и вытяжной вентилятор (например, ATEX) для удаления остаточных порошков.
- Извлеките бункер, следуя соответствующим инструкциям конструктором и чистой каждый компонент с помощью этанола, пропитанной бумажные полотенца.
Примечание: Этот шаг имеет основополагающее значение, чтобы избежать загрязнения различных видов металлических порошков. - Соберите порошок, загрузочного бункера, следуя указаниям, предоставленным конструктором. Оставим в стороне только верхнюю крышку бункера для того, чтобы выполнить загрузку порошка.
- Загрузить загрузочную воронку с Ti-6Al-4V порошки, имея гранулометрический состав в диапазоне 50-150 мкм. в зависимости от размера имеющихся Хоппер, заполнить его полностью.
- Очень плотно закройте верхнюю крышку бункера во избежание любой утечки газа.
-
Подготовка образца
- Выберите лист Ti-6Al-4V с размерами 50 x 50 мм и толщиной 4 мм.
- Чистота поверхности титана листа с этанола, пропитанной бумажные полотенца. Измерьте вес листа с сотенные баланса.
- Поместите лист на рабочей области в соответствии с положением маркера. Рабочая область является, где осаждения будут проходить, поэтому она определяется согласно запрограммированной путь робота.
-
Подготовка робота и подготовки осаждения оборудования
- Смонтировать насадку на головку лазерный так, что угол между осью сопла и ось лазера 35°.
- Перемещения робота к отправной точке рабочих для выполнения калибровки.
- Проверьте расстояние между насадкой и рабочей плоскости и, при необходимости, исправить вручную положение сопла до тех пор, пока измеренное расстояние составляет 5 мм.
Примечание: Поскольку Рабочая область лежит на горизонтальной плоскости, это расстояние-расстояние по вертикали между металлического листа и кончик насадки. - Проверьте центровку сопел выход с лазером: во-первых, перейти на лазерной руководство, щелкнув команду «Лазер Guide ON» программное обеспечение для управления лазером. Затем поместите тонкий стержень, 0,8 мм в диаметре и 200 мм в длину, внутри сопла. Убедитесь, что кончик стержня и место в руководстве лазерной совпадают. Если нет, то вручную отрегулировать положение сопла, уважая расстояний и углов указывалось ранее.
Примечание: В этом случае, наружный диаметр сопла-1 мм; Если используется сопло с меньшего диаметра, используйте стержень, диаметр которых меньше в сопло. - Проверка калибровки данные, записанные в программное обеспечение управления робот: нажмите на кнопку «Применить» на программное обеспечение и ждать для компиляции кода.
Примечание: Программное обеспечение будет проверять наличие ошибки в коде; Если ошибки не обнаружены, код хранится на контроллер робота. Если обнаружены ошибки, код не будет компилироваться, и далее будет необходимо пересмотреть. - Включите модуль лазерного источника, щелкнув команду «Включить лазер» на программное обеспечение управления.
Примечание: Источником трудовой деятельностью лазера является непрерывный волоконный лазер, излучающих в инфракрасной области (1064 нм) с максимальной мощностью 5 кВт. - Включить двигатели робота, вручную, нажав на кнопку «Робот двигатели на «на шкаф управления робота и проверьте, что связанные безопасности индикатор светится: Если так, это означает, что двигатели включены.
-
Запустите процесс осаждения
- Выберите соответствующий файл в списке существующие программы и загрузить рабочий путь в основной робот рутины.
- Проверьте параметры лазера и робот: установить мощность лазера для конкретных лазерного луча (325, 650, 980, 1500 Вт) и скорость робота к заданной скорости (30, 40, 50, 60 мм/сек).
Примечание: Эти параметры записываются в программное обеспечение управления робота, согласно конкретным языком машины. - Подтвердите новые параметры, нажав на кнопку «Применить» на программное обеспечение и ждать для компиляции кода. Программное обеспечение будет проверять наличие ошибки в коде; Если ошибки не обнаружены, код хранится на контроллер робота, и она готова к запуску. Запуск процедуры робота, нажав на кнопку «Старт» на программное обеспечение управления робота.
- Возьмите образец, используя специальные щипцы и чистой поверхности образца этанола, пропитанной бумажной салфеткой для удаления любых остаточных порошок.
3. анализ отдельных дорожек
- Анализ отдельных дорожек из верхней стерео микроскоп с увеличением 5 X.
Примечание: На данном этапе, некоторые изображения взяты с помощью стерео микроскоп и проанализированы визуально. - Вырежьте один треков от середины хранение треков перпендикулярно направлению осаждения с помощью точных режущего инструмента.
- Смонтируйте поперечное сечение одного треков в эпоксидной смолы. Выберите монтажа Кубок и место чистой и сухой образца в нем. Аккуратно измерить правильного количества смолы по весу (10 g/образец), а затем смешать с Жидкий отвердитель (6 g/образец). Смола смесь залить образца и оставить заполненные крепления чашки, чтобы вылечить в течение 30 мин при комнатной температуре. После этого шлифуют подключенные образцы с 500, 800 и 1200 зернистости бумаги размера НИЦ и затем польский с помощью алмазной пастой вплоть до тонких размеров частиц алмаза (1 мкм).
- Анализировать полированной поверхности с точки зрения формы и пористость с помощью оптического микроскопа. Получение изображений расплава бассейнов с оптическим микроскопом при 10-кратном, а затем проанализировать их с помощью изображений-J программного обеспечения.
- Измерьте высоту расплава бассейнов, измеряя расстояние между верхней и нижней части бассейна расплава. Впоследствии участок измеренной высоты расплава бассейнов как функция плотность энергии, который рассчитывается согласно его соответствующего уравнения. Действительно плотность энергии можно рассчитать по следующему уравнению:
- Наденьте 2nd порядок полинома экспериментальные результаты для получения уравнения, соответствующий толщине слоя в зависимости от конкретных плотности энергии.
- Рассмотрим конкретные плотность энергии и рассчитать толщину слоя согласно их отношения, которое было отмечено в предыдущем шаге.
- Чтобы проверить метод, изготовления многослойных блоков, рассматривая вычисляемых толщины и затем характеризуют часть блоков с точки зрения пористости и перепад высот.
- Анализ микроструктуры сфабрикованные блока после полировки шаг в той же процедуре, раздел 3.3. В самом деле, после окончательной полировки, etch образцы для 30 s с Kroll реагент, который содержит 92 мл дистиллированной воды, 6 мл азотной кислоты и 2 мл фтористоводородной кислоты.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Результаты
Для проведения экспериментальных исследований нерегулярные Ti-6Al-4V порошок со средним размером 50-150 мкм и насыпная плотность 1,85 г/см3 работал сдачи материала (рис. 1). Химический анализ порошка подтвердил, что содержание кислорода и азота порошка не меняется до и после процесса осаждения, в то время как в обоих случаях содержание кислорода был выше, чем стандартные кислорода содержание Ti-6Al-4V порошок для Аддитивные производства (< 0,13%...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Обсуждение
В этой работе основное внимание уделялось параметра Толщина нарезки в процессе дед Ti-6Al-4V, согласно геометрические характеристики расплава пула. Для этой цели был определен и использовать двухэтапный протокол. Первая часть протокола была оптимизация параметров процесса осаждения одно сканирование во время этого шага, были достигнуты оптимальные параметры и геометрии расплава бассейн были измерены. Во второй части протокола была рассчитана удельная плотность энергии образцов на оптимальные параметры. В этом шаге высота...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Раскрытие информации
Авторы не имеют ничего сообщать.
Благодарности
Авторы хотели бы признать Европейский исследовательский проект, принадлежащие Horizon 2020 программы исследований и инноваций Borealis - 3А класс энергии гибкая машина для новых добавка и субтрактивный производства на следующее поколение сложных 3D металлические детали
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Материалы
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| Ti-6Al-4V порошок | Xi' Tianrui новый материал | В качестве исходного материала | |
| ISOMET прецизионный резак | Bohler | Для резки образцов | |
| Полировальная машина | Presi | Для полировки образцов | |
| смола EpoFix | Presi | Для монтажа образцов | |
| Алмазная паста | Presi | Для полировки | |
| Оптический микроскоп | Leica | Микроструктурное наблюдение | |
| Полевое эмиссионное сканирование электронный микроскоп | Merlin-Zeiss | Микроструктурное наблюдение | |
| Стереомикроскоп | Leica | ||
| LEC1- CS444 АНАЛИЗАТОР | IncoTest | Химический анализ | |
| LEC3 - ELTRA OHN2000 АНАЛИЗАТОР | IncoTest | Химический анализ | |
| LEC2 - LECO TC436AR АНАЛИЗАТОР | IncoTest | Химический анализ | |
| ICP | IncoTest | Химический анализ | |
| IRB 4600 | ABB | Антропоморфный робот | |
| GTV PF | GTV GTV | Система подачи порошка | |
| YW 52 | Precitec | Лазерная головка | |
| Форсунки | IRIS | Насадка для подачи порошков | |
| YLS 3000 | IPG Фотоника Лазерный | источник |
Ссылки
- 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).
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Перепечатки и разрешения
