Bu araştırmada, hızlı bir yöntem eritebilir havuzu karakterizasyonu dayalı yönlendirilmiş enerji birikimi tarafından üretilen Ti-6Al-4V bileşenleri katman kalınlığı tahmin etmek için geliştirilmiştir.
Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliğiniz gereklidir. Giriş yapın veya ücretsiz denemenizi bugün başlatın.
Yöntem makalesi
Ti-6Al-4V tabakası kalınlığı çok katmanlı ifade vermek için gitmek belirlemek için yönlendirilmiş enerji birikimi tarafından tek parça imalatı
Bu makalede
Özet
Özet
Yönetmen enerji birikimi (DED), bir katkı imalat tekniği olan nerede metal toz parçacıkları enjekte edilir bir lazer ışını erimiş havuzuyla oluşturulmasını içerir. Genel olarak, bu teknik imal veya farklı bileşenlerini onar için istihdam edilmektedir. Bu teknikte, son özellikleri birçok faktör tarafından etkilenir. Nitekim, bileşenleri tarafından DED binada ana görevleri genellikle kapsamlı bir deneysel soruşturma yürütülen işlem parametreleri (örneğin, lazer güç lazer, odak, hız vb) getirilmesi olduğunu. Ancak, bu çeşit deney son derece uzun ve pahalı. Böylece, en iyi duruma getirme işlemini hızlandırmak için soruşturma eritebilir havuzu karakterizasyonu dayalı bir yöntem geliştirmek için yapılmıştır. Aslında, bu deneylerin lazer güç ve lazer hız Çoklu kombinasyonları ile DED işlem tarafından Ti-6Al-4V tek parça yatırılır. Yüzey morfolojisi ve tek parça boyutlarında analiz edildi ve erime havuzları geometrik özellikleri parlatma ve Matlaştırma kesit sonra değerlendirildi. En iyi işlem parametrelerinin seçimi ile ilgili bilgi yararlı eritebilir havuzu özelliklerini inceleyerek elde edilebilir. Bu deneyler büyük bloklar birden çok katman ile karakterize etmek için genişletilmiş. Nitekim, bu el yazması ne kadar hızlı bir şekilde büyük biriktirme katman kalınlığını belirlemek mümkün olacağını ve üzerinden önlemek veya altında birikimi optimum parametreleri göre hesaplanan enerji yoğunluğu açıklar. Fazla veya eksik ifade dışında zaman ve malzeme tasarrufu bu yaklaşım içinde çok katmanlı bileşenleri birikimi olmadan herhangi bir parametre optimizasyon açısından kalınlığı başlatılabilir diğer büyük avantajı vardır.
Giriş
En sık Havacılık, uçak, otomotiv, Ti alaşımlı ve Biyomedikal sanayi, yüksek güç-ağırlık oranı, mükemmel kırık tokluk, düşük özgül ağırlık, mükemmel korozyon direnci ve ısı nedeniyle kullanılan ti-6Al-4V olduğunu arıtılabilirlik. Ancak, onun gelişme diğer uygulamalarda zorlu, düşük ısı iletkenlik ve yüksek reaktivite özellikler sayesinde, hangi içinde onun zavallı makine performansı neden. Ayrıca, kesim sırasında olayları sertleştirme ısı nedeniyle üstlenmiş1,2,3,4özel ısıl olmalı.
Yine de, katkı (AM) teknolojileri üretim fiyat ve enerji tüketimini azaltmak ve bazı Ti-6Al-4V alaşım imalat mevcut sorunları adresi yeni üretim teknikleri olarak kullanılmak üzere büyük potansiyel gösterdi.
Katkı üretim teknikleri yenilikçi olarak bilinir ve çevre net şekle imal bir katman katman moda bileşen. Bilgisayar destekli tasarım (CAD) modeli ince tabakalar dilimler ve daha sonra bileşen katman katman oluşturur, bir katman katman katkı üretim yaklaşımı tüm AM yöntemleri için esastır. Genel olarak, dört farklı işlemleri halinde katkı metalik malzemeleri imalatı ayrılabilir: toz yatak, toz (şişmiş toz) yem, yem tel ve diğer yolları3,5,6.
Enerji birikimi (DED) katkı imalat sınıfıdır ve üç boyutlu (3D) fabricates bir gaz toz süreç net şekli sağlam parçalar diğer AM yöntemlerine benzer bir CAD dosyasından yakınındaki yönetti. Diğer teknikleri, aksine DED yalnızca bir üretim yöntemi olarak kullanılabilir değil ama aynı zamanda yüksek değer parçalar için bir tamir teknik olarak istihdam edilebilir. DED işleminde Metalik toz veya tel malzeme taşıyıcı gaz tarafından beslenir veya lazer tarafından oluşturulur erime havuza motorlar ikisinden biri üstünde belgili tanımlık substrate ışınla veya daha önce katmanı yatırılır. Satın fly oranı azalan yeteneğine sahiptir ve aynı zamanda daha önce yerine prohibitively pahalıydı değeri yüksek parçalar veya onarılamaz7onarma yeteneğine sahiptir umut verici bir gelişmiş üretim süreci DED işlemidir.
İstenen geometrik boyutları ve malzeme özelliklerini elde etmek için uygun parametrelerle8kurmak için hayati önem taşımaktadır. Çeşitli çalışmalarda işlem parametrelerini ve yatırılan örnek son özellikleri arasındaki ilişkiyi aydınlatmak üstlenmiştir. Peyre vd. 9 farklı işlem parametreleri ile bazı ince duvarlar inşa ve sonra onları 2D ve 3D profilometrisi kullanarak ile karakterizedir. Gösterdiler tabakası kalınlığı ve erime havuzu birim pürüzlülük parametreleri belirgin şekilde etkiler. Vim ve ark. 10 işlem parametreler ve bir tek kaplama katmanı (kaplı yükseklik, kaplı genişlik ve derinlik penetrasyon) geometrik özellikleri arasındaki ilişkiyi analiz için bir model önerdi.
Bugüne kadar birçok araştırma TI DED alaşımları bildirilmiştir, en bunların parametrelerinin birleşiminin etkisi büyük örnekleri11,12,4özellikleri üzerinde duruldu. Rasheedat ve ark. Lazer metal yatırılan Ti-6Al-4V alaşım elde edilen özelliklerini inceden inceye gözden geçirmek hız ve toz debisi etkisi okudu. Toz ve tarama hızını artırarak akış hızı mikroyapıda Widmanstätten yüzey pürüzlülüğü bir artışı ve yatırılan numuneler7Mikrosertlik sonuçları bir martensitik Mikroyapı değiştirildi olduğunu buldular. Yine de, daha az dikkat katman kalınlığı ayarını tasarımı için ödendi. Choi ve ark. Katman kalınlığı ve işlem parametreleri arasındaki ilişkiyi araştırdı. Onlar hata mevcut yüksekliği ile gerçek yüksekliği arasındaki ana kaynakları toz kitle akış oranı ve katman kalınlığı13ayarlama olduğunu bulmuşlardır. Katman kalınlığı ortamda uzun ve hatalı işlemleri dahil, kendi çalışmaları katman kalınlığı ayarını uygulamak değil düzgün. Ruan ve ark. Lazer tarama hızı sabit lazer güç ve toz oranı14besleme yatırılan katman yüksekliği üzerinde etkisini araştırdı. Belirli işleme koşulları altında elde edilmiştir katman kalınlığı ayarı için ampirik bazı modelleri teklif etmiş ve böylece katman kalınlığı ayarını belirli işlem parametreleri15kullanımı nedeniyle kesin olmayabilir. Önceki işleri aksine, bu el yazması önerilen işlemi ayarlama katmanı kalınlığı zaman ve malzeme kaybetmeden gerçekleştirilebilecek hızlı bir yöntemdir.
Bu çalışmanın ana odak optimum DED işlem parametreleri, Ti-6Al-4V alaşım tek parça özelliklerine dayanarak kalınlığı belirlenmesi için hızlı bir yöntem geliştirmektir. Bundan sonra en uygun işlem parametreleri bir katman kalınlığı belirlemek ve yüksek yoğunluklu Ti-6Al-4V blok israf zaman ve malzeme olmadan imal için istihdam edilmektedir.
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
Protokol
1. toz karakterizasyonu
- Bir alüminyum PIN saplama üzerinde bulunan ve içinde numune odası, bir alan emisyon Taramalı elektron mikroskobu (Morfoloji toz16analiz etmek için FESEM) eklemek bir çift taraflı yapışkan karbon teyp üzerindeki Ti-6Al-4V tozlar başlayan 3 g koymak.
- 30 cm3 konteyner doldurarak toz belirgin yoğunluğunu ölçmek ve toz ASTM B212 standardına göre ağırlığını ölçmek.
- Kullanılan toz (5-10 g), toz (5-10 g) ve birleştiğinde yatırılan blok (20 g) elemental (örneğin, Leco) aracılığıyla ve İndüktif plazma (ICP) Çözümleyicisi17başlayan kimyasal çözümlemesi gerçekleştirin.
2. yönlendirilmiş enerji birikimi tek parça
-
Toz yükleme
- Bir FFP3 solunum maskesi gereksinimlerine EN 149, pudra içermeyen tek kullanımlık nitril eldiven ve koruyucu plastik gözlük için de dahil olmak üzere kişisel koruyucu ekipman giymek.
- Besleme sistemi toz hazne açın ve bir aspiratör fan (örneğin, ATEX) kalan toz kaldırmak için kullanın.
- Hazne Oluşturucu tarafından verilen uygun yönergeleri izleyerek çıkarın ve her bileşen etanol batırılmış kağıt havlu kullanarak temizleyin.
Not: Bu çeşit parçacýklarýn bulunduðu alanlar sayýlabilir kirlenmesini önlemek için temel adımdır. - Hopper Oluşturucu tarafından verilen talimatları izleyerek besleme toz yeniden monte. Bir kenara sadece üst kapağı, hopper toz yükleme gerçekleştirmek için bırakın.
- Hazne granülometresi aralığı 50-150 µm. kullanılabilir hopper büyüklüğüne bağlı olarak sahip Ti-6Al-4V tozlar yükleyin, eksiksiz doldurunuz.
- Hazne üst kapağı çok sıkı bir şekilde herhangi bir gaz kaçağı önlemek için kapatın.
-
Örnek hazırlanması
- 50 x 50 mm boyutları ve 4 mm kalınlığında bir Ti-6Al-4V sayfası seç.
- Etanol bulanmış kağıt havlu ile titanyum levha yüzeyini temizlemek. Kağıdın ağırlığı ile centesimal bir denge ölçmek.
- Yer işaretleyicisinin konumunu göre çalışma alanı sayfasında. Yani bu robot programlanmış yol göre belirlenir nerede ifade, gerçekleşecek çalışma alanıdır.
-
Robot ve hazırlık ifade ekipman hazırlanması
- Meme meme ekseni ve lazer eksen arasındaki açı 35 ° olduğunu lazer kafasına bağlarsınız.
- Robot kalibrasyon gerçekleştirmek için başlangıç çalışma noktaya taşıyın.
- Meme ve çalışma uçak arasındaki mesafe denetleyip, ölçülen mesafe 5 mm kadar gerekirse, el ile meme konumunu düzeltin.
Not: bu yana çalışma alanı yatay bir düzlem üzerinde bırakır, bu sac ve meme ucu arasındaki dikey mesafe mesafedir. - Meme çıkış lazer ile merkezleme kontrol: önce bir rehber lazer lazer control yazılımı "Lazer Kılavuzu ON" komutunu tıklatarak geçin. Daha sonra 0.8 mm jant çapında ve 200 mm uzunluğunda, meme içinde ölçüm ince bir çubuk koyun. Çubuk ucu ve nokta lazer kılavuzun çakışık olduğunu doğrulayın. Eğer değilse, el ile mesafeler ve daha önce belirtilen açıları saygı meme, konumunu ayarlamak.
Not: Bu durumda, meme dış çapı 1 mm olan; daha küçük çaplı bir meme istihdam, kimin çapı meme bundan daha küçük bir çubuk kullanın. - Robot kontrol yazılımı yazılmış kalibrasyon verileri doğrulayın: yazılım "Uygula" butonuna tıklayın ve kod derleme için bekleyin.
Not: Yazılım kod hatalarını kontrol eder; herhangi bir hata algılanırsa, kod robot denetleyicisinde saklanır. Hatalar algılanırsa, kodun derlenmiş olmayacak ve daha fazla gözden geçirme gerekecektir. - Lazer kaynak modül lazer kontrol yazılımı "Lazer etkinleştir" komutunu tıklatarak etkinleştirin.
Not: 5 kW maksimum güç ile kızılötesi bölgesi (1064 nm) yayan bir sürekli fiber lazer istihdam lazer kaynağıdır. - Robotun motorlar el ile "Üzerinde Robot motorlar", robot kontrol kabinine üzerinde butona basarak etkinleştirmek ve ilgili güvenlik LED yaktı kontrol edin: Eğer Yani, bu motorlar etkin anlamına gelir.
-
Biriktirme işlemini başlatmak
- Varolan program listesinde uygun dosyayı seçin ve çalışma yolunu ana robot rutin içine yükleyin.
- Lazer ve robot parametrelerini kontrol edin: lazer güç belirli lazer güç (325, 650, 980, 1500 W) ve belirli bir hız robot hıza ayarlayın (30, 40, 50, 60 mm/s).
Not: Bu parametreler göre belirli bir dil makinenin robot kontrol yazılımı yazılır. - Yeni parametreleri software "Uygula" düğmesine basarak onaylayın ve kodun derlenmesi için bekleyin. Yazılım kod hatalarını kontrol eder; herhangi bir hata algılanırsa, kod robot denetleyicisinde saklanır ve var olmak denize indirmek hazır. Robot rutin robot kontrol yazılımı üzerinde "Başlat" düğmesine basarak Başlat.
- Özel nipper kullanarak örnek almak ve herhangi bir kalıntı toz kaldırmak için bir etanol bulanmış kağıt havlu ile örnek yüzeyi temizleyin.
3. analiz tek parça
- Üstten tek parça stereo mikroskop vasıl 5 X büyütme tarafından analiz.
Not: Bu aşamada, bazı görüntülerin stereo mikroskop aracılığıyla alınır ve görsel olarak analiz. - Tek parça yatırılan parça orta ifade yönüne dik hassas kesici bir alet kullanarak kesmek.
- Kesiti epoksi reçine tek parça monte. Bir montaj Kupası seçin ve temiz ve kuru numune yerleştirin. Reçine doğru miktarda ağırlık (10 g/örnek) tarafından dikkatle ölçün ve sıvı bir sertleştirici (6 g/örnek) ile karıştırın. Numune reçine karışımı dökün ve oda sıcaklığında 30 dakika tedavi için dolgulu montaj su bardağı bırak. Bundan sonra 500, 800 ve 1200 grit boyutu SIC kağıt takılı numuneler bilenmesi ve elmas Yapıştır aşağı elmas partikülleri (1 µm) ince boyutları kullanarak Lehçe.
- Parlatılmış yüzeyler şekli ve porozite açısından bir optik mikroskobu aracılığıyla analiz. 10 X büyütme, optik mikroskop ile melt havuzları görüntülerini almak ve sonra onları analiz görüntü-J yazılım kullanarak.
- Erime havuzu alt ve üst arasındaki mesafeyi ölçerek eritebilir havuzları yüksekliğini ölçmek. Daha sonra erimiş havuzları ölçülen yüksekliği belirli enerji yoğunluğu, karşılık gelen denklemi göre hesaplanan bir fonksiyonu olarak çiz. Gerçekten de, enerji yoğunluğu aşağıda ki formül ile hesaplanabilir:
- 2nd sipariş polinom belirli enerji yoğunluğu bir fonksiyonu olarak katman kalınlığı karşılık gelen denklem elde etmek için deneysel sonuçlarına uygun.
- Belirli bir enerji yoğunluğu dikkate ve önceki adımda gözlendi ilişkilerine göre katman kalınlığı hesaplamak.
- Yöntem doğrulamak için çok katmanlı bir blok hesaplanan tabakası kalınlığı göz önüne alınarak imal ve blok porozite ve son yükseklik açısından bölümünü karakterize.
- Parlatma bir adım sonrası, yordamın aynısını Bölüm 3.3 olarak fabrikasyon blok Mikroyapı analiz. Aslında, final parlatma sonra örnekleri için 30 etch 92 mL distile su, 6 mL nitrik asit ve 2 mL hidroflorik asit içeren Kroll'ın reaktif bir iyimsersin.
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
Sonuçlar
Deneysel çalışmalar, düzensiz Ti-6Al-4V toz 1.85 g/cm3 belirgin yoğunluğu ve 50-150 µm ortalama büyüklüğü ile yatırma malzemesi (şekil 1) olarak istihdam edildi. Her iki durumda da oksijen içeriği Ti-6Al-4V toz için standart oksijen içeriği daha yüksek iken toz oksijen ve azot içeriği ifade işleminden önce ve sonra değişmedi toz kimyasal analizi doğruladı katkı imalat (< %0,13). Ancak, toplu bileşeninin oksijen ve azot içeriğini ifade sonra artt...
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
Tartışma
Bu çalışmada, odak Dilimleme kalınlık ayarı Ti-6Al-4V, DED süreçte eritebilir havuzu özellikleri geometri göre oldu. Bu amaçla, bir iki adım protokol tanımlanan ve kullanılan. Bir optimizasyon tek tarama ifade için süreç parametrelerinin Protokolü'nün ilk parçasıydı ve, bu adımda optimum parametreleri elde edildi ve erime havuzu geometrileri ölçüldü. Protokolü'nün ikinci bölümünde optimum parametreleri, örneklerin belirli enerji yoğunluğu hesaplanır. Bu adımda, erime havuzu yüksekliğini enerji yoğunluğu bir fonksiyonu ol...
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
Açıklamalar
Yazarlar ifşa gerek yok.
Teşekkürler
Yazarlar için Horizon 2020 araştırma ve yenilik program Borealis - karmaşık 3D nesil 3A enerji sınıfı yeni katkı ve Eksiltici üretim için esnek makine Avrupa araştırma projesi kabul etmek istiyorum metal parçalar
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
Malzemeler
| Ad | Şirket | Katalog numarası | Yorumlar |
|---|---|---|---|
| Ti-6Al-4V tozu | Xi' Tianrui yeni malzeme | Başlangıç malzemesi olarak | |
| ISOMET hassas kesici | Bohler | Numuneleri kesmek için | |
| Parlatma makinesi | Presi | Numuneleri parlatmak için | |
| EpoFix reçine | Presi | Numuneleri monte etmek için | |
| Elmas macunu | Presi | Parlatma için | |
| Optik Mikroskop | Leica | Mikroyapısal gözlem | |
| Alan emisyon taramalı elektron mikroskobu | Merlin-Zeiss | Mikroyapısal gözlem | |
| Stereo mikroskop | Leica | ||
| LEC1- CS444 ANALİZ Cihazı | IncoTest | Kimyasal analiz | |
| LEC3 - ELTRA OHN2000 ANALİZ Cihazı | IncoTest | Kimyasal analiz | |
| LEC2 - LECO TC436AR ANALİZ CİHAZI | IncoTest | Kimyasal analiz | |
| ICP | IncoTest | Kimyasal analiz | |
| IRB 4600 | ABB | Antropomorfik robot | |
| GTV PF | GTV | Toz besleme sistemi | |
| YW 52 | Precitec | Lazer kafa | |
| Nozulları Tozları | beslemek için | IRIS | |
| YLS 3000 | IPG Fotonik | Lazer kaynağı |
Kaynaklar
- 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).
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
Yeniden basım ve izinler
