إنتاج المسارات واحد من تي-6Al-4V بترسب الطاقة الموجهة لتحديد سمك طبقة لترسب الطبقات

Engineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

Summary

في هذا البحث، هو وضع أسلوب سريع استناداً إلى ذوبان توصيف تجمع لتقدير سمك طبقة من مكونات Ti-6Al-4V تنتجها ترسب الطاقة الموجهة.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

Saboori, A., Tusacciu, S., Busatto, M., Lai, M., Biamino, S., Fino, P., Lombardi, M. Production of Single Tracks of Ti-6Al-4V by Directed Energy Deposition to Determine the Layer Thickness for Multilayer Deposition. J. Vis. Exp. (133), e56966, doi:10.3791/56966 (2018).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

توجيه الطاقة ترسب (الدائرة)، وأسلوب تصنيع مضافة، يتضمن إنشاء مجمع المنصهر مع شعاع ليزر حيث يتم حقن مسحوق المعادن كجسيمات. بشكل عام، يعمل هذا الأسلوب اختﻻق أو إصلاح مكونات مختلفة. في هذا الأسلوب، تتأثر خصائص النهائية بالعديد من العوامل. والواقع أن إحدى المهام الرئيسية في بناء عناصر من قبل دائرة التنمية الاقتصادية هي الأمثل لمعلمات العملية (مثل طاقة الليزر، سرعة الليزر، والتركيز، إلخ) الذي عادة ما يضطلع به من خلال تحقيق تجريبية واسعة النطاق. ومع ذلك، هذا النوع من تجربة طويلة ومكلفة للغاية. وهكذا، أجرى تحقيق بغية التعجيل بعملية التحسين، لتطوير أسلوب يقوم على الأوصاف تجمع تذوب. في الواقع، في هذه التجارب، أودعت المسارات واحد من تي-6Al-4V بعملية الدائرة مع مجموعات متعددة من طاقة الليزر وسرعة الليزر. حللت مورفولوجيا السطحية والأبعاد لمسارات واحدة، وتم تقييم الخصائص الهندسية لتجمعات تذوب بعد الصقل والنقش في المقاطع العرضية. ويمكن تحقيق معلومات مفيدة بشأن اختيار معلمات العملية المثلى عن طريق فحص خصائص تجمع تذوب. هي يجري توسيع نطاق هذه التجارب لتوصيف كتل أكبر مع طبقات متعددة. وفي الواقع، يصف هذه المخطوطة كيف أنه سوف يكون من الممكن تحديد سماكة طبقة لترسبات ضخمة بسرعة، وتجنب الإفراط في أو ترسب وكيل وفقا لكثافة الطاقة المحسوبة من المعلمات الأمثل. وبصرف النظر عن أكثر أو ترسب الناقص، الوقت ومواد الحفظ من مزايا كبيرة أخرى من هذا النهج الذي يمكن أن تبدأ ترسب مكونات متعددة الطبقات دون أي التحسين المعلمة من حيث سمك الطبقة.

Introduction

تي-6Al-4V الأكثر استخداماً سبائك Ti في الطائرة الفضائية الجوية، والسيارات، والصناعات الطبية الحيوية بسبب نسبة عالية من القوة إلى الوزن والمتانة الكسر ممتازة، والثقل النوعي المنخفض، ممتازة المقاومة للتآكل، والحرارة وامتزاز. بيد يتحدون مزيد من التطورات في التطبيقات الأخرى، نظراً لانخفاض الموصلية الحرارية وميزات تفاعلية عالية، التي تسفر به ماتشينابيليتي الفقيرة. وعلاوة على ذلك، بسبب الحرارة تصلب الظواهر خلال القطع، يجب أن يكون علاج حرارة النوعية التي قطعتها1،2،،من34.

ومع ذلك، أظهرت مضافات صناعة التكنولوجيات (ص) إمكانات كبيرة لاستخدامها كتقنيات التصنيع الجديدة التي يمكن تقليل استهلاك الطاقة والسعر، والتصدي لبعض التحديات الراهنة في تصنيع سبيكة تي-6Al-4V.

تقنيات التصنيع المضافة تعرف باسم مبتكرة ويمكن تلفيق شكل صافي قريب المكون بشكل طبقة بعد طبقة. اتباع نهج تصنيع مضافة طبقة بطبقة شرائح نموذج تصميم بمساعدة كمبيوتر (CAD) في طبقات رقيقة وثم ينشئ مكون طبقة بطبقة، شرطا أساسيا لجميع أساليب صباحا. وبصفة عامة، يمكن تقسيم التصنيع المضافة للمواد المعدنية في أربع عمليات مختلفة: مسحوق سرير ومسحوق الأعلاف (مسحوق مهب) وسلك تغذية وأخرى طرق3،،من56.

توجيه الطاقة ترسب (الدائرة) هي فئة من تصنيع المواد المضافة وهي عملية مسحوق مهب تلفيق ثلاثي الأبعاد (3D) قرب الشكل الصافي الأجزاء الصلبة من ملف CAD مشابهة لأساليب أخرى صباحا. خلافا لغيرها من تقنيات، دائرة التنمية الاقتصادية لا يمكن أن تستخدم فقط كأسلوب تصنيع، ولكن أيضا يمكن أن تستخدم كأسلوب لإصلاح الأجزاء ذات القيمة العالية. في عملية التنمية، وتغذي المواد مسحوق أو الأسلاك المعدنية بغاز الناقل أو موتورز في تجمع تذوب، التي تم إنشاؤها بواسطة الليزر شعاع على أما الركيزة أو المودعة سابقا طبقة. عملية الدائرة هو عملية تصنيع متقدمة واعدة قادرة على خفض نسبة يبيع للطيران، وهي أيضا قادرة على إصلاح الأجزاء ذات القيمة العالية التي كانت في السابق باهظة ليحل محل أو لا يمكن إصلاحه7.

من أجل تحقيق الأبعاد الهندسية المطلوبة وخصائص المواد، من الضروري إنشاء المعلمات المناسبة8. أجريت دراسات عديدة توضيح العلاقة بين معلمات العملية وخصائص العينة المودعة والنهائي. فرنسا et al. 9 بناء بعض الجدران رقيقة مع معلمات مختلفة من العملية، وثم وصف لهم باستخدام بروفيلوميتري 2D و 3D. أنها أظهرت أن سمك الطبقة وحجم تجمع تذوب تؤثر المعلمات خشونة ملحوظة. فيم وآخرون. 10 اقترح نموذجا من أجل تحليل العلاقة بين معلمات العملية وخصائص هندسية من طبقة واحدة الكسوة (يرتدون الارتفاع والعرض يرتدون ملابس وعمق الاختراق).

وحتى الآن، العديد من الدراسات عن "الدائرة الاقتصادية لمنظمة الشفافية الدولية" أبلغ سبائك، الأكثر التي ركزت على تأثير مزيج المعلمات على خصائص عينات ضخمة11،12،4. رشيدة وآخرون. دراسة تأثير معدل التدفق مسحوق وسرعة المسح الضوئي على خصائص الناتجة الليزر المودعة تي-6Al-4V سبيكة معدنية. ووجدوا أن معدل التدفق المجهرية تغير بزيادة سرعة المسح الضوئي ومسحوق من Widmanstätten إلى المجهرية الفيريتي، مما يؤدي إلى زيادة خشونة السطح وميكروهاردنيس من العينات المودعة7. ومع ذلك، قد تم اهتمام أقل لتصميم الإعداد سمك الطبقة. شوي وآخرون. حققت الترابط بين سمك الطبقة ومعلمات العملية. أنهم وجدوا أن المصادر الرئيسية للخطأ بين الارتفاع الحالي وارتفاع الفعلية هي مسحوق التدفق الجماعي معدل وطبقة سمك إعداد13. دراستهم لم بشكل صحيح تنفذ الإعداد سمك طبقة نظراً لأنها تنطوي على عمليات مطولة وغير دقيقة في تحديد سماكة طبقة. روان وآخرون. حققت تأثير ليزر سرعة ارتفاع طبقة المودعة في قوة الليزر المستمر ومسحوق تغذية معدل14المسح الضوئي. قد اقترحوا بعض نماذج تجريبية لتحديد سمك الطبقة التي تم الحصول عليها تحت ظروف محددة من تجهيز، وهكذا تحديد سماكة طبقة قد لا تكون دقيقة بسبب استخدام عملية محددة للمعلمات15. خلافا للأعمال السابقة، هو سمك طبقة إعداد العملية المقترحة في هذه المخطوطة أسلوب سريعة التي يمكن أن يؤديها دون إضاعة الوقت والمواد.

التركيز الرئيسي لهذا العمل وضع طريقة سريعة لتحديد سمك الطبقة التي تستند إلى خصائص مسارات واحدة من سبيكة تي-6Al-4V في معلمات العملية الدائرة الأمثل. وبعد ذلك، يعملن معلمات العملية المثلى تحديد سماكة طبقة وافتعال كتل تي-6Al-4V عالي الكثافة دون إضاعة الوقت والمواد.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1-مسحوق توصيف

  1. وضع الجيل الثالث 3g بدء مساحيق تي-6Al-4V على شريط الكربون الملصقة على الوجهين، الذي يقع على كعب دبوس ألومنيوم، وإدراج داخل قاعة عينة من الميدان-الانبعاثات "المسح الإلكتروني المجهري" (فسيم) لتحليل مورفولوجية مسحوق16.
  2. قياس كثافة المسحوق الظاهر بملء وعاء3 30 سم، وقياس وزن مسحوق وفقا لمعيار ASTM B212.
  3. إجراء تحليل كيميائي لابتداء من مسحوق (5-10 غ)، استخدام مسحوق (5-10 غ)، وأودعت كتلة (20 غ) عن طريق عنصري (مثلاً، ليكو) والحث يقترن البلازما (ICP) محلل17.

2-توجيه ترسب الطاقة مسارات واحدة

  1. تحميل مسحوق
    1. ارتداء معدات الحماية الشخصية، بما في ذلك قناع التنفس FFP3 متوافقة مع متطلبات EN 149 النتريل خالية من مسحوق المتاح القفازات والنظارات الواقية البلاستيكية.
    2. فتح هوبر مسحوق نظام التغذية واستخدام مشجع النازع (مثلاً، ATEX) لإزالة مساحيق المتبقية.
    3. إزالة هوبر باتباع الإرشادات المناسبة المقدمة من المنشئ وتنظيف كل مكون باستخدام مناشف ورقية غارقة في الإيثانول.
      ملاحظة: هذه الخطوة أمر أساسي لتجنب التلوث بأنواع مختلفة من المساحيق المعدنية.
    4. إعادة تجميع المسحوق التغذية هوبر باتباع الإرشادات التي يقدمها المنشئ. تترك جانبا فقط الغطاء العلوي من هوبر من أجل القيام بتحميل المسحوق.
    5. تحميل هوبر مع مساحيق تي-6Al-4V وجود الحبيبات في نطاق 50-150 ميكرومتر. تبعاً لحجم هوبر المتاحة، وملئه تماما.
    6. قم بإغلاق الغطاء العلوي من هوبر شكل محكم جداً لتفادي أي تسرب للغاز.
  2. إعداد العينة
    1. اختر ورقة تي-6Al-4V مع أبعاد 50 مم × 50 مم وسمك 4 مم.
    2. تنظيف سطح الورقة التيتانيوم مع مناشف ورقية غارقة في الإيثانول. قياس وزن الورقة مع توازن سينتيسيمال.
    3. ضع الورقة في مجال العمل وفقا لموضع العلامة. مجال العمل الترسب ستجري فيها، وبذلك يتحدد وفقا لمسار الروبوت المبرمجة.
  3. إعداد روبوت وإعداد معدات ترسيب
    1. جبل الفوهة على رأسه الليزر حيث تكون الزاوية بين الليزر والمحور فوهة 35 درجة.
    2. تحريك الروبوت إلى العمل نقطة انطلاق لإجراء المعايرة.
    3. تحقق من المسافة بين الفوهة والطائرة العامل، وإذا لزم الأمر، يدوياً تصحيح وضع فوهة حتى أن قياس مسافة 5 ملم.
      ملاحظة: نظراً لمجال العمل يضع على مستوى أفقي، هذه المسافة هي المسافة العمودية بين الصفائح الحديدية وغيض من الفوهة.
    4. الاختيار توسيط مخرج فوهة مع الليزر: أولاً، التبديل في الدليل الليزر بالنقر على الأمر "الليزر دليل على" في البرنامج من أجل السيطرة على الليزر. ثم وضع قضيب رقيقة، قياس 0.8 ملم وقطرها 200 ملم في الطول، داخل الفوهة. تحقق من صحة غيض القضيب والفور الدليل الليزر تزامنت. إذا لم يكن الأمر كذلك، يدوياً ضبط موضع الفوهة، احترام المسافات والزوايا التي سبق أن أشار.
      ملاحظة: في هذه الحالة، القطر الخارجي من الفوهة 1 مم؛ إذا كان يعمل بفوهة يبلغ قطرها أصغر، استخدم قضيب القطر الذي أقل من الفوهة.
    5. تأكد من معايرة البيانات المكتوبة في برامج مراقبة روبوت: انقر فوق الزر "تطبيق" في البرنامج، والانتظار للتحويل البرمجي للتعليمات البرمجية.
      ملاحظة: البرنامج سيقوم بالبحث عن أخطاء في التعليمات البرمجية؛ إذا تم الكشف عن أية أخطاء، يتم تخزين التعليمة البرمجية في وحدة التحكم بالروبوت. إذا تم الكشف عن أخطاء، لن يتم ترجمة التعليمات البرمجية، وسوف يلزم المزيد من التنقيح.
    6. تمكين وحدة مصدر الليزر بالنقر على الأمر "تمكين ليزر" على برامج التحكم الليزر.
      ملاحظة: مصدر ليزر العاملين ليزر ألياف مستمرة التي تنبعث منها في منطقة الأشعة تحت الحمراء (1064 nm) مع 5 كيلو واط الحد الأقصى من الطاقة.
    7. تمكين للسيارات الإنسان الآلي عن طريق دفع يدوياً على زر "روبوت موتورز في" على الحكومة التحكم الروبوت، والتحقق من سلامة يتصل الصمام أضاءت: إذا كان ذلك، فهذا يعني أنه تم تمكين المحركات.
  4. بدء عملية الترسيب
    1. حدد الملف الصحيح في قائمة البرامج الموجودة وتحميل مسار العمل الروتينية الروبوت الرئيسية.
    2. التحقق من معلمات الليزر والروبوت: تعيين السلطة الليزر لقوة الليزر محددة (325، 650، 980، 1500 W) وسرعة روبوت إلى سرعة معينة (30، 40، 50، 60 ملم/ثانية).
      ملاحظة: تتم كتابة هذه المعلمات في برنامج التحكم الروبوت، وفقا للغة معينة للجهاز.
    3. تأكيد المعلمات الجديدة بالضغط على الزر "تطبيق" في البرنامج، والانتظار للتحويل البرمجي للتعليمات البرمجية. البرنامج سيقوم بالبحث عن أخطاء في التعليمات البرمجية؛ إذا تم الكشف عن أية أخطاء، يتم تخزين التعليمة البرمجية في وحدة التحكم بالروبوت وأنها مستعدة لإطلاق. إطلاق روتين الروبوت عن طريق دفع الزر "ابدأ" على برامج التحكم روبوت.
  5. التقاط العينة باستخدام القراص الخاصة، وتنظيف سطح العينة مع منشفة ورقية غارقة في الإيثانول لإزالة أي مسحوق المتبقية.

3-تحليل المسارات واحد

  1. تحليل مسارات واحدة من الأعلى مجهر ستيريو في 5 X التكبير.
    ملاحظة: يتم في هذه المرحلة، بعض الصور المتخذة عن طريق مجهر ستيريو وتحليلها بصريا.
  2. قطع المسارات واحدة من منتصف المسارات المودعة عمودي على اتجاه الترسيب باستخدام أداة قطع دقيق.
  3. جبل المقطع العرضي من المسارات واحدة في راتنج الإيبوكسي. اختر فنجان متصاعدة ومكان العينة نظيفة وجافة في ذلك. قياس المبالغ الصحيحة من الراتنج بعناية حسب الوزن (10 غ في عينة) وثم تخلط مع مقوى سائل (6 ز في عينة). صب الراتنج المخلوط على العينة وتترك أكواب تصاعد شغلها لعلاج لمدة 30 دقيقة في درجة حرارة الغرفة. وبعد ذلك تطحن العينات المركبة مع 500 و 800 حجم حصى 1,200 SiC ورقة، وثم البولندية باستخدام لصق الماس وصولاً إلى أدق أحجام الجسيمات الماس (1 ميكرومتر).
  4. تحليل السطوح مصقول من حيث الشكل وسهولة اختراق عن طريق مجهر ضوئي. الحصول على صور تجمعات تذوب بالمجهر الضوئي في 10 X التكبير ومن ثم تحليلها باستخدام البرمجيات ي الصورة.
  5. قياس ارتفاع برك تذوب بقياس المسافة بين أعلى وأسفل تجمع تذوب. بعد ذلك، ارسم ارتفاع يقاس من برك تذوب كوظيفة من وظائف محددة كثافة الطاقة، التي يتم حسابها وفقا للمعادلة المقابلة لها. وفي الواقع، يمكن حساب كثافة الطاقة بالمعادلة التالية:
    Equation 1
  6. احتواء نظام 2nd متعدد الحدود على النتائج التجريبية للحصول على المعادلة المقابلة لسمك طبقة كدالة لكثافة الطاقة المحددة.
  7. النظر في كثافة الطاقة محددة، وحساب سمك طبقة وفقا للعلاقة بينهما، الذي احتفل به في الخطوة السابقة.
  8. للتحقق من الأسلوب، اختﻻق كتلة متعدد الطبقات بالنظر في سمك الطبقة المحسوبة، ومن ثم تحديد خصائص مقطع كتل من حيث المسامية والارتفاع النهائي.
  9. تحليل المجهرية كتلة ملفقة بعد التلميع خطوة في نفس الإجراء كقسم 3.3. في الواقع، بعد التلميع النهائي، أحفر العينات لمدة 30 ثانية مع الكاشف كرول، الذي يحتوي على 92 مل مقطر من الماء ومل 6 وحمض النيتريك، وحمض الهيدروفلوريك 2 مل.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

الدراسات التجريبية، استخدمت مسحوق تي-6Al-4V غير المنتظمة مع حجم متوسط من 50-150 ميكرومتر وكثافة الظاهر من 1.85 غ/سم3 إيداع المواد (الشكل 1). التحليل الكيميائي لأن المسحوق الذي أكد أن محتويات الأكسجين والنيتروجين من المسحوق لم تتغير قبل وبعد عملية الترسيب، بينما كانت أعلى من محتوى الأكسجين القياسية لمنظمة الشفافية الدولية-6Al-4V مسحوق لمحتوى الأكسجين في كلتا الحالتين تصنيع المواد المضافة (< 0.13%). ومع ذلك، زيادة محتوى الأكسجين والنيتروجين من مكونات المجمع بعد الترسب.

Figure 1
رقم 1: ابتداء من تي-6Al-4V مسحوق يستخدم إيداع المواد- وهذا مسحوق غير نظامية مع حجم متوسط من 100-150 ميكرومتر وكثافة الظاهر من 1.85 غ/سم3.

ج S نادي الحديد ح N O V منظمة الشفافية الدولية
مسحوق طازجة بين 0.017 < 0.001 5.83 0.08 0.013 0.022 0.23 3.89 بال.
مسحوق المستخدمة 0.016 < 0.001 5.86 0.08 0.012 0.02 0.22 3.87 بال.
العنصر الأكبر 0.021 0.001 5.78 0.08 0.012 0.058 0.28 3.8 بال.
القياسية < 0.08 -- 5.5-6.5 < 0.25 < 0.012 < 0.05 < 0.13 3.5-4.5 بال.

الجدول 1: التركيبة الكيميائية لمسحوق تي-6Al-4V قبل وبعد الترسيب (نسبة مئوية من الوزن). وهو يبين أن محتويات الأكسجين والنيتروجين من المسحوق لا تتغير قبل وبعد عملية الترسيب، بينما في كلتا الحالتين محتوى الأكسجين أعلى من محتوى الأكسجين القياسية من مسحوق تي-6Al-4V لتصنيع المواد المضافة.

يظهر الشكل 2 المسارات واحد من تي-6Al-4V سبيكة بعد الترسيب في طاقة الليزر والليزر المختلفة سرعة المسح الضوئي. وكما يتبين من زيادة قوة الليزر وتقليل سرعة المسح الضوئي الليزر، حجم المسارات واحد زيادة.

Figure 2
رقم 2: واحد مسارات سبيكة تي-6Al-4V بعد الترسيب. هذه المسارات واحدة أودعت في قوة الليزر المختلفة وسرعة المسح الضوئي الليزر وتحليلها من الأعلى. بزيادة قوة الليزر وتقليص الليزر سرعة، زادت أحجامها المسح الضوئي.

ويبين الشكل 3 المقطع العرضي لمسارات واحدة بعد خلع، وعن طريق زيادة طاقة الليزر، زيادة ارتفاع المسارات واحدة إلى حد كبير. وعلاوة على ذلك، زيادة ارتفاع ترسب بتقليل سرعة المسح الضوئي الليزر في سلطة ليزر ثابتة، بينما كان ارتفاع ترسب في الليزر منخفض الطاقة وسرعة المسح الضوئي ليزر عالية جداً، لا يعتد بها. على الرغم من ارتفاع المسبح تذوب، تشكيل مسامية داخل المجمع، وتذوب خاصة قرب واجهة لمنطقة حوض/الانصهار تذوب، كان ظاهرة أخرى كشفت بعد خلع.

Figure 3
الشكل 3: مقطع عرضي لمسارات واحدة بعد خلع. بزيادة قوة الليزر وتقليل سرعة المسح الضوئي الليزر، انخفضت ذروة تجمع تذوب. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

ويرد في الشكل 4العلاقة بين ارتفاع مسار واحد والمعلمة عملية مختلفة. ارتفاع واحد المسارات بسرعة المسح الضوئي ليزر مختلفة زادت بزيادة طاقة الليزر، مما يوحي بأن قوة الليزر تصل إلى نقطة معينة له أثر إيجابي على ارتفاع ترسب (الشكل 4 أ). بيد أن قوة الليزر بعد هذه النقطة الحرجة، يؤثر سلبا على نمو ترسب بسبب التسليم الكثير من الطاقة في حوض تذوب. وعلاوة على ذلك، وقد وجد أن الليزر زيادة سرعة المسح، تم تخفيض مدخلات الطاقة في مجمع الصهر وانخفض معدل الولادة مسحوق كان غير مباشر، وبالتالي ارتفاع المودعة تناقص ملحوظ (الشكل 4 باء).

Figure 4
الشكل 4: تأثير المعلمات عملية مختلفة على البعد مسار واحد. من الواضح أن ليزر سرعة المسح الضوئي يتم تقليل زيادة (ب)، مدخلات الطاقة في حوض السباحة ذوبان ومسحوق التسليم المعدل (أ) هو غير مباشر وانخفض و، وبالتالي ارتفاع المودعة تناقص ملحوظ. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

هذه النتائج تبين بوضوح تأثير المعلمات عملية مختلفة في هندسة المسارات المودعة. على الرغم من توفير نظرة متعمقة في هذه العملية، لا تزال تتحدى تقييم ارتفاع المودعة، بسبب مجموعة متنوعة المعلمات التي شاركت. وبالتالي، اتخذت بعض الجهود لوضع استراتيجية جديدة لتقييم تأثير مزيج معلمات العملية على هندسة المسار المودعة.

كما تبين ذلك، زيادة ارتفاع طبقة المودعة بزيادة طاقة الليزر، وكان من المفهوم أن هذا لم يكن المعلمة الوحيدة التي تؤثر على ارتفاع المسبح ذوبان. في الواقع، في الفترة الوقت اللازم لإذابة حجم معين من الركازة وإيداع طبقة مناسبة من المواد المنصهرة، ينبغي توفير قدر معين من الطاقة ومسحوق للركيزة. هذه الطاقة لا يتحدد فقط بقوة الليزر وسرعة المسح الضوئي الليزر، ولكن ينبغي النظر أيضا في حجم بقعة ليزر. لهذا الغرض، يتم حساب كثافة الطاقة محددة كل وحدة حجم البقعة (ه) ومسحوق إطعام الكثافة (F) لتقييم تأثير المزيج من هذه المعلمات.

ه، وهي كثافة الطاقة محددة، يظهر الطاقة التي يتم تسليمها إلى تجمع تذوب بالليزر، ومن حيث المبدأ المسؤول عن ذوبان الركيزة ومسحوق. يعبر عن كثافة الطاقة هذه ك8

Equation 2(1)

حيث E هو كثافة الطاقة محددة كل وحدة حجم البقعة، ف هو قوة الليزر (W) و الخامس هو سرعة المسح الضوئي الليزر (mm/s) د حجم بقعة ليزر (مم). للحصول على مستوى ترسب مناسبة لكل مادة معدنية، وهناك مستوى معين من الطاقة أقل مما يمكن أن يتحقق لا سندات الانصهار، وأبعد من ذلك تمييع تصبح كبيرة جداً. عامل آخر ويبين تأثير مزيج المعلمات هو كثافة مسحوق (F)، التي يمكن أن تحسب على النحو التالي8

Equation 3(2)

هنا، و مسحوق إطعام الكثافة، وهو ز مسحوق تغذية معدل (g/s).

الشكل 5 يوضح اختلاف ارتفاع طبقة المودعة كدالة لكثافة الطاقة المحددة. كما يمكن أن يرى، زيادة ارتفاع واحد من المسارات من خلال زيادة كثافة الطاقة محددة، التي يمكن أن ترتبط بمدخلات الحرارة أعلى في كثافة الطاقة الليزر العالي. العلاقة التجريبية بين كثافة الطاقة وارتفاع ترسب كما يلي:

ح = 14.99 ه-17.85 (3)

من هذه المعادلة، يمكن تقدير ارتفاع المسار المودعة عن طريق حساب كثافة الطاقة المحددة وهذه المعادلة. من ناحية أخرى، أظهرت تباين الارتفاع المودعة كدالة كثافة المسحوق، الذي يظهر في الشكل 6، أن من خلال زيادة كثافة المسحوق، زيادة ارتفاع المسار المودعة، ويمكن أن تكون العلاقة التجريبية بين هذه وأعرب على النحو التالي:

ح = 38477 و – 157.06 (4)

وتبين هذه المعادلة أنه يمكن حساب ارتفاع المسار المودعة بحساب كثافة المسحوق وهذه المعادلة. مكافئ. 3 و 4 مكافئ. تظهر أنه باستخدام التركيبة المعلمات العملية وحساب محددة كثافة الطاقة وكثافة المسحوق، من الممكن أن يتوقع ارتفاع المودعة، وبالتالي تجد مجال أفضل تحقيق أفضل نوعية الترسب.

Figure 5
الرقم 5: ارتفاع مسار واحد (ح) مقابل كثافة طاقة محددة (ه)- ارتفاع المسارات واحد زاد من خلال زيادة كثافة الطاقة محددة، التي يمكن أن ترتبط بمدخلات الحرارة أعلى في أعلى كثافة طاقة الليزر. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 6
رقم 6: مسار واحد الارتفاع (h) كدالة لمسحوق إطعام الكثافة (F). عن طريق زيادة مسحوق إطعام الكثافة، زيادة ارتفاع المسار المودعة. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

في الطاقة المباشر ترسب المواد المعدنية، ح (ارتفاع طبقة، أو ΔZ) هو عامل هام جداً يؤثر على نوعية العنصر بعد خلع. في ترسب الطاقة المباشرة التقليدية من المكونات المعدنية، يعتبر ارتفاع ترسب طبقة ثابت، وبعد وبصرف النظر عن هندسة المكون وموادها، ومعلمات العملية كانت هذه السلطة الليزر والليزر سرعة المسح الضوئي الأمثل لاختلاق المكون النهائي. والواقع أن تشريح الطبقات بسماكة ثابتة لا عادة تتوافق مع معلمات العملية. ولذلك، هذا السمك قد يكون تغيير أما يدوياً أو تجريبيا، التي تضحي نوعية المكون ومعدل التصنيع. وبصفة عامة، في تشريح طبقة التقليدية، أكثر أو وكيل deposition قد تتحقق نتيجة تقريبية في النظر في سمك طبقة، الذي يحتاج إلى تصحيحات أخرى مثل الترسيب اللاحق أو القطع طبقات إضافية (الرقم 7 ألف ). وهكذا، في هذا العمل، اضطلع الجهد لوضع استراتيجية جديدة لتحديد سمك طبقة، وفقا للظروف العملية التي تستخدم في إنتاج المكونات.

Figure 7
رقم 7: تشريح. (أ) استراتيجية تشريح التقليدية، (ب) تشريح جديد الاستراتيجية وفقا لمعلمات العملية المثلى؛ في تشريح طبقة التقليدية، أكثر أو وكيل deposition قد تتحقق نتيجة تقريبية في النظر في سمك طبقة، الذي يحتاج إلى تصحيحات أخرى، مثل الترسيب اللاحق أو القطع طبقات إضافية. في هذا النهج، يحدد سمك طبقة لتصنيع المكونات طبقاً لارتفاع طبقة واحدة تتصل بكثافة الطاقة محددة معلمتين مجتمعة. ه هو كثافة الطاقة محددة كل وحدة حجم بقعة و هو مسحوق إطعام الكثافة، تيميزة dep هي سمك طبقة واحدة وتيطبقة هي سمك الشريحة.

في الواقع، في هذا النهج، يحدد سمك طبقة لتصنيع المكونات طبقاً لارتفاع طبقة واحدة تتصل بكثافة الطاقة محددة معلمتين مجتمعة. لدليل على هذا الأسلوب وفحص العلاقة بين نوعية المكون وسمك طبقة مختلفة، بنيت بعض المكعبات بسيطة في مختلف ΔZ وثم تم تقييم تلك المقاطع العرضية.

الشكل 8 أ ب- إظهار المقاطع العرضية الممثل كتل متعدد الطبقات، التي أنتجت وفقا للطريقة التقليدية. كما يتبين في الجدول 2، وفقا لاستراتيجية تشريح يعتبرها مم 0.325 كسمك طبقة، ينبغي أن يكون الارتفاع المطلوب للكتلة هو موضح في الشكل 8 أ حوالي 5.2 مم. ومع ذلك، في الطريقة التقليدية، الارتفاع النهائي 10.11 مم (ترسب الزائد) تحقق الذي هو نتيجة للنظر في ارتفاع ΔZ (0.6 ملم) أثناء العملية. أسفرت هذه العملية ترسب الإفراط عدم التحام بين الطبقات، ومستوى عال من التسلل داخل العينة. من ناحية أخرى، 8b الشكل يوضح أنه بالنظر انخفاض ΔZوالارتفاع المطلوب لا يمكن أن يتحقق، وهذه النتائج في عملية الترسيب طويلة والمجهرية غير مرغوب فيها. هذه التناقضات يعني أن في الطريقة التقليدية، تشريح الطبقات بسماكة ثابتة لا عادة تتوافق مع معلمات العملية، وهكذا سمك طبقة المنشود لا يتحقق. شريحة من الكتلة، الذي كان ينتج وفقا لاستراتيجية تشريح، يظهر في الشكل 9. كما يمكن أن يرى من خلال النظر مناسبة ΔZ، من الممكن تحقيق دقة الأبعاد ممتازة. ومع ذلك، يمكن تقليل دقة الأبعاد على مستوى عال من الليزر الطاقة نتيجة لارتفاع الطاقة الإدخال، مما يؤدي إلى ذوبان الطبقة السفلية. ويبين الجدول 2 أن أكثر استقرارا ذوبان موقف تجمع يمكن أن يتحقق باستخدام أسلوب تشريح، وبالتالي يزيد من دقة الأبعاد. ويبين الشكل 9 كتلة التي تنتج وفقا لنهج تشريح، وكما يمكن أن يرى باستخدام مناسبة ΔZ (~ 0.5 مم) تم الحصول على الارتفاع المطلوب للترسيب.

Figure 8
الشكل 8: أمثلة العينات المنتجة بالطريقة التقليدية- وفقا لاستراتيجية تشريح يعتبرها مم 0.325 كسمك طبقة، ينبغي أن يكون الارتفاع المطلوب للكتلة التي تظهر في لوحة حوالي 5.2 مم. ومع ذلك، في الطريقة التقليدية، الارتفاع النهائي 10.11 مم (ترسب الزائد) تحقق الذي هو نتيجة للنظر في ارتفاع ΔZ (0.6 ملم) أثناء العملية. من ناحية أخرى، يوضح الفريق ب أن الارتفاع المطلوب بالنظر تدني ΔZ، لا يمكن أن يتحقق، والنتائج في عملية الترسيب طويلة والمجهرية غير مرغوب فيها. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 9
الشكل 9: مثال لنموذج ملفقة النهج تشريح. وهو يؤكد أن نظر بشكل سليم ΔZ يؤدي إلى دقة الأبعاد ممتازة.

طاقة الليزر (W) سمك الطبقة (مم) عدد الطبقات الارتفاع المطلوب (مم) المودعة الارتفاع (مم)
الأسلوب التقليدي 350 0.325 وذلك اعتبارا 16 5.206 10.114
1500 0.758 8 6.07 3.425
تشريح الأسلوب 325 0.485 5 7.436 7.245

الجدول 2: مقارنة بين ارتفاع المودعة والارتفاع المطلوب في الأساليب التقليدية وتشريح. تبين أن باستخدام أسلوب تشريح، أكثر استقرارا ذوبان موقف تجمع يمكن أن يتحقق، وبالتالي يزيد من دقة الأبعاد.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

في هذا العمل، كان التركيز على إعداد سمك تشريح في العملية الدائرة الاقتصادية لمنظمة الشفافية الدولية-6Al-4V، وفقا لهندسة تذوب تجمع الخصائص. لهذا الغرض، تعريف بروتوكول خطوتين واستخدامها. الجزء الأول من البروتوكول هو الأمثل معلمات العملية لترسب تفحص واحد، وأثناء هذه الخطوة، تحققت المعلمات الأمثل وقيست الهندسات تجمع تذوب. في الجزء الثاني من البروتوكول، تم حساب كثافة الطاقة محددة من العينات في المعلمات الأمثل. في هذه الخطوة، تم رسم ذروة تجمع تذوب كدالة كثافة الطاقة، ويمكن أن يتحقق في هذه الخطوة الحاسمة، سمك طبقة لترسب الطبقات.

في الدائرة الاقتصادية، نظراً لتغيير معلمات العملية مختلف سمك الطبقات، لا يؤدي إلى ترسب طبقات بسماكة طبقة ثابتة في هندسة دقيقة للمكون. وهذا يعني أن النظر في طبقة ثابتة سمك للترسيب، بغض النظر عن معلمات العملية، يؤدي إلى تحت-أو أكثر-ديبوسيشن أن النتائج في خطأ هندسي، ومن ثم عملية إنتاج طويلة. وكان الغرض من هذا التحقيق ﻻستكشاف العلاقة بين الإجراء إعداد سمك تشريح وارتفاع المودعة الفعلية والظروف العملية. واستنتج من خلال مزيج هندسة المعلمات تجمع وعملية ذوبان، أنه يمكن تحديد سمك الطبقة المثلى المرتبطة بمعلمات العملية المحددة في فترة أقصر من الوقت فيما يتعلق الأساليب التقليدية.

استراتيجية تشريح يستخدم المعادلات التي الحصول على ارتفاع طبقة واحدة تتصل بكثافة الطاقة المحددة. هو شرائح المكون النهائي وفقا لارتفاع طبقة واحدة لشرط إيداع محددة. وأنتجت بعض الكتل بغية التحقق من الأسلوب المقترح، وفقا للنهج تشريح. وقد أظهرت نتائج هذه البحوث أن عن طريق استخدام هذا البروتوكول، سيكون من الممكن تحديد سماكة طبقة، وهو واحد من المعالم الرئيسية التي يجب أن تعتبر بشكل صحيح لبناء مكون مع أبعاد دقيقة. القيد الوحيد لهذا البروتوكول، يمكن النظر في اعتماد النتائج على نوع المواد، وهكذا ينبغي أن يتم هذا البروتوكول لكل نوع من المواد. وبالإضافة إلى ذلك، زيادة دقة تحديد سماكة طبقة، عرض تجمع تذوب يمكن أيضا النظر في البروتوكول. أن أهم خطوة في البروتوكول هو قياس هندسة تجمع تذوب حتى أن أي خطأ، الأخطاء الصغيرة حتى، في هذه الخطوة قد ينتج خطأ كبيرا في تحديد سماكة طبقة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

الكتاب ليس لها علاقة بالكشف عن.

Acknowledgments

يود المؤلفون أن يعترف المشروع الأوروبي لبحوث تابعة لبرنامج البحث والابتكار في أفق 2020 القطبي-فئة الطاقة 3A "مرنة آلة" مضافة جديدة و "تصنيع مطروح" على الجيل القادم من 3D المعقدة أجزاء معدنية

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Ti-6Al-4V powder Xi’Tianrui new material As starting material
ISOMET precision cutter Bohler To cut the samples
Polishing machine Presi To polish the samples
EpoFix resin Presi To mount the samples
Diamond paste Presi For polishing
Optical Microscope Leica Microstructural observation
Field emission scanning electron microscope Merlin-Zeiss Microstructural observation
Stereo microscope Leica
LEC1- CS444 ANALYSER IncoTest Chemical analysis
LEC3 - ELTRA OHN2000 ANALYSER IncoTest Chemical analysis
LEC2 - LECO TC436AR ANALYSER IncoTest Chemical analysis
ICP IncoTest Chemical analysis
IRB 4600 ABB Antropomorphic robot
GTV PF GTV Powder feeding system
YW 52 Precitec Laser head
Nozzles IRIS Nozzle for feeding powders
YLS 3000 IPG Photonics Laser source

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Banerjee, D., Williams, J. C. Perspectives on Titanium Science and Technology. Acta Mater. 61, (3), 844-879 (2013).
  2. Peters, M. Titanium and Titanium Alloys. Leyens, C., Peters, M. WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. (2003).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. Chen, X., Tao, Z. Maximum thickness of the laser cladding. Key Eng Mater. 46, 381-386 (1989).
  16. 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).
  17. 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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics