用定向能沉积法生产 Ti-6Al-4V 层厚度的单车道多层沉积

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Summary

本文研究了一种基于熔池特性的快速方法, 用于估算定向能沉积 Ti-6Al-4V 组分的层厚度。

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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).

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Abstract

定向能量沉积是一种添加剂制造技术, 它涉及用激光束将金属粉末注入粒子的熔池创建。一般来说, 这种技术是用来制造或修复不同的组件。在这种技术中, 最终的特征受到许多因素的影响。事实上, 在建筑构件的主要任务之一是优化的工艺参数 (如激光功率, 激光速度, 焦点,等等), 这通常是通过广泛的实验研究进行。然而, 这类实验是非常冗长和昂贵的。为此, 为了加速优化过程, 对基于熔池特征的方法进行了研究。事实上, 在这些实验中, Ti-6Al-4V 的单一轨道是由一个由激光功率和激光速度组合而成的过程所沉积。分析了单轨道的表面形貌和尺寸, 并对剖面进行抛光和蚀刻后, 对熔池的几何特性进行了评价。通过对熔池特性的检测, 可以获得有关最佳工艺参数选择的有用信息。这些实验正在扩展以描述具有多层的大块。事实上, 这篇手稿描述了如何能够快速确定的厚度为大规模沉积, 并避免超过或低于沉积根据计算的能量密度的最佳参数。除沉积物的过度或不足外, 时间和材料的节省是这种方法的另一个巨大的优势, 其中多层组件的沉积可以启动, 而无需任何参数优化的层厚度。

Introduction

Ti-6Al-4V 是航空航天、飞机、汽车和生物医学行业中最常用的钛合金, 由于其高强度重量比、优异的断裂韧性、低比重、优异的耐腐蚀性和热可处理性.然而, 由于其导热系数低、反应性高, 因此其在其它应用方面的进一步发展具有挑战性, 导致其加工性能较差。此外, 由于切削过程中的热硬化现象, 必须进行特定的热处理1,2,3,4

尽管如此, 添加剂制造 (AM) 技术显示了巨大的潜力, 作为新的制造技术, 可以降低价格和能耗, 并解决一些目前的挑战, 在制造 Ti-6Al-4V 合金。

添加剂制造技术被称为创新, 可以以逐层的方式制造近网形状组件。逐层添加剂制造方法, 将计算机辅助设计 (CAD) 模型切片成薄层, 然后逐层构建组件层, 是所有 AM 方法的基础。一般情况下, 金属材料的添加剂制造可分为四种不同的工艺: 粉床、粉料 (吹粉)、送丝和其他路线356

定向能量沉积是一类的添加剂制造, 是一个吹粉过程, 从 CAD 文件中捏造出三维 (3D) 近净形状实体零件, 类似于其他 AM 方法。与其他技术相比, 其不仅可以作为一种制造方法, 而且还可作为高附加值零件的修复技术使用。在该过程中, 金属粉末或金属丝材料由载气或马达送入熔池, 由激光束在基体或先前沉积层上产生。该过程是一个有希望的先进制造工艺, 它能够降低购飞比, 并且能够修复以前成本高昂的高价值部件, 以取代或无法挽回的7

为了实现所需的几何尺寸和材料属性, 建立适当的参数8至关重要。已进行了几项研究, 以阐明工艺参数与沉积样品的最终性质之间的关系。Peyre et9构建了一些具有不同工艺参数的薄壁壁, 然后使用2D 和3D 轮廓术对其进行了特征描述。结果表明, 层厚度和熔池体积对粗糙度参数有显著影响。Vim et al10提出了一个模型, 以便分析单个包覆层 (包覆高度、复合宽度和穿透深度) 的工艺参数与几何特征之间的关系。

迄今为止, 关于 Ti 合金的若干研究报告, 其中大部分侧重于参数组合对大量样品的性能的影响11,12,4。Rasheedat et al。研究了扫描速度和粉流速率对激光金属沉积 Ti-6Al-4V 合金产生性能的影响。他们发现, 通过提高扫描速度和粉末流速, 显微组织从 Widmanstätten 转变为马氏体显微组织, 导致表面粗糙度和沉积试样的显微硬度增加7。然而, 在设计层厚度设置方面却较少受到重视。彩虹et al。研究了层厚度与工艺参数之间的相关性。他们发现, 当前高度和实际高度之间的主要误差来源是粉末质量流速和层厚度设置13。他们的研究没有正确地实现层厚度设置, 因为它们涉及厚和不准确的过程中的层厚度设置。阮et al。研究了激光扫描速度对恒定激光功率和送粉率的影响, 在14。提出了在特定加工条件下获得的层厚度设置的一些经验模型, 因此, 由于使用了特定的工艺参数15, 层厚度设置可能不精确。与以往的工作相比, 本文提出的层厚设置过程是一种快速的方法, 可以在不浪费时间和材料的情况下进行。

本文的主要工作重点是根据 Ti-6Al-4V 合金在最佳工艺参数下的单轨道特性, 开发一种快速测定层厚度的方法。在不浪费时间和材料的情况下, 采用最佳工艺参数确定层厚, 制造高密度 Ti-6Al-4V 块。

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Protocol

1. 粉末特性

  1. 将3克的启动 Ti-6Al-4V 粉末放在双面粘碳胶带上, 位于铝针存根上, 并插入场发射扫描电子显微镜 (FESEM) 的试样室内, 分析粉末16的形貌。
  2. 通过填充30厘米3容器, 测量粉末的表观密度, 并根据 ASTM-B212 标准测量粉末的重量。
  3. 通过元素 (例如、Leco) 和电感耦合等离子体 (ICP) 分析仪20, 对起始粉末 (5-10 克)、使用过的粉末 (5-10 克) 和沉积块 (17 克) 进行化学分析。

2. 单轨道定向能量沉积

  1. 粉末加载
    1. 佩戴个人防护设备, 包括符合 EN 149 要求的 FFP3 呼吸面罩、无粉一次性丁腈橡胶手套和防护塑料眼镜。
    2. 打开送粉系统的料斗, 并使用萃取风扇 (, 防爆) 去除残余粉末。
    3. 按照构造函数给出的适当指示, 拆卸料斗, 使用乙醇浸泡的纸巾清洁每个部件。
      注意: 这一步是避免各种金属粉末污染的基础。
    4. 按照构造函数给出的指令重新装配进料料斗。只留下料斗的顶盖, 以执行粉末的装载。
    5. 在 50-150 µm 的范围内, 用 Ti-6Al-4V 粉末装载料斗, 颗粒. 根据可用料斗的大小, 请将其完全填满。
    6. 关闭料斗顶盖非常紧密, 以避免任何气体泄漏。
  2. 样品的准备
    1. 选择一个 Ti-6Al-4V 的表, 50 毫米 x 50 毫米尺寸和4毫米厚度。
    2. 用乙醇浸泡过的纸巾清洁钛片表面。用百分制平衡测量工作表的重量。
    3. 根据标记的位置将纸张放在工作区上。工作区域是进行沉积的地方, 因此根据机器人的编程路径确定。
  3. 机器人的制备及沉积设备的制备
    1. 将喷嘴安装在激光头上, 使喷嘴轴与激光轴之间的夹角35°。
    2. 将机器人移动到起始工作点以执行校准。
    3. 检查喷嘴和工作平面之间的距离, 如果需要, 请手动更正喷嘴位置, 直到测量到的距离为5毫米。
      注: 由于工作区域位于水平平面上, 此距离是金属片与喷嘴尖端之间的垂直距离。
    4. 用激光检查喷嘴插座的中心点: 首先, 在激光控制的软件上点击 "激光引导器" 命令, 开关激光导轨。然后, 把一个细杆, 测量直径0.8 毫米, 长度为200毫米, 喷嘴内。验证杆的尖端和激光导轨的光斑是否重合。如果没有, 手动调整喷嘴的位置, 以尊重前面所指出的距离和角度。
      注: 在这种情况下, 喷嘴外径为1毫米;如果采用较小直径的喷嘴, 则使用直径小于喷嘴的杆。
    5. 验证写入机器人控制软件的校准数据: 单击软件上的 "应用" 按钮, 然后等待代码的编译。
      注: 本软件将检查代码中的错误;如果未检测到错误, 则将代码存储在机器人控制器上。如果检测到错误, 则不会编译代码, 需要进行进一步的修订。
    6. 通过单击激光控制软件上的 "激光启用" 命令, 启用激光源模块。
      注: 所使用的激光源是连续光纤激光发射在红外线区域 (1064 毫微米) 与5千瓦最大功率。
    7. 在机器人的控制柜上手动按下 "机器人马达" 按钮, 并检查相关的安全指示灯是否亮起: 如果是这样, 则表示电动机已启用。
  4. 开始沉积过程
    1. 在现有程序列表中选择正确的文件, 并将工作路径加载到主机器人例程中。
    2. 检查激光和机器人参数: 将激光功率设置为特定的激光功率 (325、650、980、1500 W) 和机器人速度到给定速度 (30、40、50、60毫米/秒)。
      注: 根据机器的具体语言, 将这些参数写入机器人的控制软件中。
    3. 通过在软件上按 "应用" 按钮来确认新参数, 并等待代码的编译。该软件将检查代码中的错误;如果检测不到错误, 则将代码存储在机器人控制器上, 并准备好启动。通过推动机器人控制软件上的 "启动" 按钮启动机器人程序。
  5. 用特制的夹钳取样品, 用乙醇浸泡过的纸巾清洁样品表面, 除去残留的粉末。

3. 分析单车道

  1. 用5X 放大的立体声显微镜从顶部分析单个轨道。
    注意: 在这个阶段, 一些图像是采取了立体显微镜和视觉分析。
  2. 使用精确的刀具, 从沉积轨迹的中间截去垂直于沉积方向的单线轨迹。
  3. 在环氧树脂中安装单线的横断面。选择一个安装杯, 并放置在它的清洁和干燥标本。用重量 (10 克/样品) 仔细测量适量的树脂, 然后与液体固化剂 (6 克/样品) 混合。将树脂混合物倒在试样上, 在室温下将填充的安装杯放在30分钟内固化。此后, 研磨的安装标本与 500, 800, 1200 粒粒度碳化硅纸, 然后抛光使用钻石粘贴下, 以更精细的尺寸钻石颗粒 (1 µm)。
  4. 用光学显微镜分析抛光表面的形状和孔隙度。以10X 倍放大的光学显微镜获取熔池的图像, 然后使用图像 J 软件对其进行分析。
  5. 通过测量熔池顶部和底部之间的距离, 测量熔池的高度。然后, 将熔池的测量高度作为特定能量密度的函数进行绘制, 并根据相应的方程进行计算。实际上, 能量密度可以用以下等式计算:
    Equation 1
  6. 在实验结果上拟合 2nd阶多项式, 得到与层厚度相对应的比能量密度函数的方程。
  7. 考虑一个特定的能量密度, 并根据它们的关系计算层厚度, 在上一步中观察到。
  8. 为了验证该方法, 通过考虑计算层厚度, 构造了多层块, 然后根据孔隙度和最终高度对区块截面进行了表征。
  9. 在与3.3 节相同的过程中, 分析了抛光步骤后的加工块的显微结构。事实上, 在最终抛光后, 用92毫升蒸馏水、6毫升硝酸和2毫升氢氟酸的试剂蚀刻三十年代的样品。

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Representative Results

在实验研究中, 不规则 Ti-6Al-4V 粉末的平均大小为 50-150 µm, 表观密度为1.85 克/厘米3 , 被用作沉积材料 (图 1)。对粉末的化学分析证实, 在沉积过程前后, 粉末的氧、氮含量没有变化, 而在两种情况下, 氧含量均高于 Ti-6Al-4V 粉标准氧含量。添加剂制造 (< 0.13%)。然而, 在沉积后, 大块组分的氧和氮含量增加。

Figure 1
图 1: 启动 Ti-6Al-4V 粉末用作沉积材料.这是一种不规则粉末, 平均大小为 100-150 µm, 表观密度为1.85 克/厘米3

c s 基地 h n O v
新鲜粉末 0.017 < 0.001 5.83 0.08 0.013 0.022 0.23 3.89 bal.
二手粉 0.016 < 0.001 5.86 0.08 0.012 0.02 0.22 3.87 bal.
批量组件 0.021 0.001 5.78 0.08 0.012 0.058 0.28 3。8 bal.
标准 < 0.08 -- 5.5-6。5 < 0.25 < 0.012 < 0.05 < 0.13 3.5-4。5 bal.

表 1: 沉积前后 Ti-6Al-4V 粉的化学成分 (重量百分比)。结果表明, 在沉积过程前后, 粉体的氧、氮含量不发生变化, 而在两种情况下, Ti-6Al-4V 粉的氧含量均高于添加剂制造中的标准氧含量。

图 2显示了 Ti-6Al-4V 合金在不同激光功率和激光扫描速度下沉积后的单轨道。随着激光功率的增加和激光扫描速度的降低, 单轨道的尺寸也随之增加。

Figure 2
图 2: 沉积后 Ti-6Al-4V 合金的单轨道.在不同的激光功率和激光扫描速度下, 从顶部分析了这些单轨道。通过提高激光功率和降低激光扫描速度, 其尺寸增加。

图 3显示了沉积后单线轨道的剖面, 通过增加激光功率, 单轨道的高度大大增加。此外, 通过降低激光扫描速度在恒定的激光功率, 沉积高度增加, 而在低激光功率和极高的激光扫描速度, 沉积高度是微不足道的。尽管熔池的高度, 熔池内部的孔隙度形成, 特别是在熔池/聚变区界面附近, 是沉积后揭示的另一种现象。

Figure 3
图 3: 沉积后的单个轨道的横截面.通过提高激光功率和降低激光扫描速度, 熔池高度降低。请单击此处查看此图的较大版本.

图 4中显示了单道高度和不同工艺参数之间的关系。在不同的激光扫描速度下, 单轨道的高度增加了激光功率, 这表明激光功率达到一定点对沉积高度有正向影响 (图 4a)。然而, 在这一临界点之后, 激光功率对沉积物的生长产生了负面影响, 这是由于注入了太多的能量进入熔池。结果表明, 随着激光扫描速度的增加, 熔池内的能量输入减少, 粉体输送速率间接降低, 沉积高度显著降低 (图 4b)。

Figure 4
图 4: 不同工艺参数对单轨道尺寸的影响.很明显, 随着激光扫描速度的增加(b), 融化池中的能量输入减少, 粉末传递速率(a)间接降低, 因此, 沉积高度显著降低。请单击此处查看此图的较大版本.

这些结果清楚地说明了不同工艺参数对沉积轨道几何形状的影响。尽管对该过程提供了宝贵的洞察力, 但由于所涉及的各种参数的不同, 对沉积高度的评估仍然具有挑战性。因此, 已进行了一些努力, 以制定一项新的战略, 以评估工艺参数组合对沉积轨道几何的影响。

随着激光功率的增加, 沉积层高度增加, 据了解, 这不是影响熔池高度的唯一参数。事实上, 在所需的时间段内, 要熔化一个给定体积的基体, 并沉积适当的熔融材料层, 一定量的能量和粉末应提供给基体。这种能量不仅由激光功率和激光扫描速度决定, 而且还应考虑激光光斑尺寸。为此, 计算了单位光斑尺寸 (E) 和粉料密度 (F) 的具体能量密度, 以评估这些参数组合的效果。

E, 这是特定的能量密度, 显示由激光传递到熔池的能量, 并原则上负责熔化的基板和粉末。此能量密度表示为8

Equation 2(1)

如果E是每个单位光斑大小的特定能量密度, 则P为激光功率 (W), v为激光扫描速度 (毫米/秒), D为激光光斑大小 (毫米)。为了获得适当的沉积水平, 每一个金属材料, 有一定的能量水平下, 没有融合键可以达到, 并在那之外稀释变得太大。另一个显示参数组合效果的因素是粉末密度 (F), 可按如下方式计算8

Equation 3(2)

在这里, F是粉末进给密度, 而g是送粉率 (g/秒)。

图 5演示了沉积层高度作为特定能量密度函数的变化。可以看出, 单轨道的高度增加了特定的能量密度, 这可以与较高的激光能量密度下的高热量输入有关。能量密度与沉积高度的经验相关性如下:

h = 14.99 E – 17.85 (3)

从这个方程出发, 可以通过计算特定能量密度和这个方程来估计沉积轨道的高度。另一方面, 沉积高度作为粉末密度的函数的变化, 如图 6所示, 表明通过增加粉末密度, 增加了沉积轨道的高度, 它们之间的经验关系可以表示如下:

h = 38477 F – 157.06 (4)

该方程表明, 通过计算粉末密度和方程, 可以计算出沉积轨道的高度。eq 3 和 eq 4 表明, 利用工艺参数的组合, 计算出比能量密度和粉末密度, 可以预测沉积高度, 从而找到最佳的沉积质量。

Figure 5
图 5: 单轨道高度 (h) 相对于特定能量密度 (E).通过增加比能量密度来提高单轨道的高度, 这与高激光能量密度下的高热量输入有关。请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 6
图 6: 单轨道高度 (h) 作为粉末进给密度 (F) 的函数.通过增加粉料密度, 提高了沉积轨迹的高度。请单击此处查看此图的较大版本.

在金属材料的直接能量沉积中, h (层高度或ΔZ) 是影响沉积物后组分质量的一个非常重要的因素。在金属元件的常规直接能量沉积中, 沉积层的高度被认为是恒定的, 除了构件及其材料的几何形状外, 激光功率和激光扫描速度等工艺参数优化以制造最终组件。事实上, 以恒定厚度切片层通常不符合工艺参数。因此, 这种厚度可以手动或经验主义地改变, 这会牺牲零件的质量和制造速度。一般情况下, 在常规层切片中, 由于考虑层厚度的近似, 可能达到过或欠沉积, 这需要进一步的修正, 如后续沉积或加工额外的层数 (图7a).因此, 在这项工作中, 已着手制定一项新的战略, 以确定的层厚度, 根据工艺条件, 用于生产的组件。

Figure 7
图 7: 切片。(a)常规切片策略, (b)根据最佳工艺参数对新切片策略进行分析;在常规层切片中, 由于考虑层厚度的近似, 可能达到过或欠沉积, 需要进一步的修正, 如后续沉积或加工额外的层。在该方法中, 根据与两个组合参数的比能量密度有关的单层高度确定了构件制造层厚度。E 是单位光斑尺寸的具体能量密度, F 为粉料密度, tdep为单层厚度, t为切片厚度。

实际上, 在这种方法中, 构件的层厚度是根据与两个组合参数的比能量密度有关的单层高度确定的。为了证明该方法, 并检查了不同层厚度的组分质量与各ΔZ 的关系, 并对其截面进行了评价。

图 8a-b显示多层块的代表性剖面, 这些截面是根据常规方法生成的。如表 2中所示, 根据将 0.325 mm 视为层厚度的切片策略,图 8a中显示的块所需的高度应约为5.2 毫米。然而, 在常规方法中, 达到了10.11 毫米 (过度沉积) 的最终高度, 这是在过程中考虑高ΔZ (0.6 毫米) 的结果。这种过度沉积过程导致了层间缺乏融合, 试样内部孔隙度很高。另一方面,图 8b说明, 通过考虑低ΔZ, 无法实现所需的高度, 这会导致长时间的沉积过程和不良的显微组织。这些差异意味着, 在传统的方法中, 以固定厚度切片层通常不符合工艺参数, 因此无法达到所需的层厚度。块的剖面 (根据切片策略生成) 显示在图 9中。可以通过考虑适当的ΔZ来看到, 可以实现良好的尺寸精度。然而, 由于输入能量高, 激光功率的高电平可以降低尺寸精度, 从而导致底层层的熔化。表 2表明, 使用切片方法可以实现更稳定的熔池位置, 从而提高尺寸精度。图 9显示了根据切片方法生成的块, 并且可以通过使用适当的ΔZ (~ 0.5 mm) 获得所需的沉积高度。

Figure 8
图 8: 常规方法生成的样本示例.根据将 0.325 mm 视为层厚度的切片策略, 面板a中显示的块所需的高度应约为5.2 毫米。然而, 在常规方法中, 达到了10.11 毫米 (过度沉积) 的最终高度, 这是在过程中考虑高ΔZ (0.6 毫米) 的结果。另一方面, 面板b说明, 通过考虑低ΔZ, 无法实现所需的高度, 并导致长时间的沉积过程和不良的显微组织。请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 9
图 9: 切片方法制作的示例示例.它确认适当的ΔZ考虑会导致良好的尺寸精度。

激光功率 (W) 层厚度 (mm) 层数 所需高度 (mm) 沉积高度 (毫米)
常规方法 350 0.325 16 5.206 10.114
1500 0.758 8 6.07 3.425
切片方法 325 0.485 5 7.436 7.245

表 2: 常规和切片方法中沉积高度与所需高度之间的比较。结果表明, 采用切片方法可以实现更稳定的熔池位置, 从而提高了尺寸精度。

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Discussion

根据熔池特性的几何形状, 重点研究了 Ti-6Al-4V 过程中的切片厚度设置。为此, 定义并使用了两步协议。该协议的第一部分是对单扫描沉积过程参数的优化, 并在此步骤中实现了最佳参数, 并测量了熔池的几何形状。在该协议的第二部分, 计算了试样在最佳参数下的比能量密度。在此步骤中, 将熔池的高度绘制为能量密度函数, 在这一关键步骤中, 可以实现多层沉积层厚度。

由于各种工艺参数改变了层的厚度, 沉积层厚度恒定, 不能产生精确的元件几何。这意味着, 考虑到沉积的固定层厚度, 无论工艺参数如何, 都会导致下或过沉积, 导致几何误差, 从而产生长时间的生产过程。本研究旨在探讨切片厚度设定过程与实际沉积高度、工艺条件之间的关系。结果表明, 通过熔池和工艺参数的几何组合, 可以在较短的时间内确定与特定工艺参数相关的最佳层厚度, 以传统方法。

分层策略采用了获得与特定能量密度有关的单层高度的方程。最后的组件根据单层高度对特定沉积条件进行切片。为了验证所提出的方法, 根据切片方法生成了一些块。本文的研究结果表明, 采用该协议可以确定层厚度, 这是构建具有精确尺寸的构件时应正确考虑的主要参数之一。这项议定书的唯一限制可能被考虑的是对材料类型的结果的依赖性, 因此应该为每种材料进行这项议定书。此外, 为了提高层厚度设置的准确性, 在协议中也可以考虑熔池的宽度。协议中最重要的一步是对熔池几何的测量, 以便在这个步骤中任何错误, 甚至是小错误, 都可能导致层厚度设置中出现严重错误。

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Disclosures

作者没有什么可透露的。

Acknowledgments

作者愿意承认欧洲研究项目属于地平线2020研究和创新计划-3A 能源类柔性机器为新的加法和消减制造在下一代复杂3D金属零件

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

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References

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