Průběh tváření EBM TC4 titanové slitiny

Nejprve je pomocí softwaru Magicsl9.0 3D model součásti rozřezán a navrstven podle určité tloušťky, aby se získaly celkové 2D informace o součásti. Poté systém EBM rovnoměrně rozprostře slitinový prášek do určité tloušťky na substrát a jako zdroj tepla použije elektronový paprsek vytvořený proudem procházejícím wolframovým drátem. Působením fokusační cívky a elektromagnetické vychylovací cívky dochází ke zpracování slitinového prášku na substrátu. Skenujte taveninu. Pokaždé, když elektronový paprsek naskenuje a roztaví vrstvu, pracovní stůl klesne o jednu výšku vrstvy a poté se prášek znovu rozprostře. Elektronový paprsek proces opakovaně skenuje a taví a každá zpracovaná vrstva kondenzuje do celku. Celý výrobní proces probíhá ve vakuovém prostředí, čímž se účinně zamezuje možnosti oxidace titanové slitiny během zpracování. Po dokončení výroby systém EBM vyjme díly z výrobní komory a umístí je do systému pro získávání prášku. K odstranění prášku ulpívajícího na povrchu dílů se v PRS používá vysokotlaký vzduch a nakonec se získá lisované díly s hladkým povrchem.

Mezi hlavní parametry technologie EBM patří proud elektronového paprsku, urychlovací napětí, rychlost skenování, tloušťka vrstvy, rozteč skenovacích čar a kompenzace ohniska. Úpravou těchto parametrů lze získat různé hustoty energie, jako je zvýšení proudu elektronového paprsku nebo snížení rychlosti skenování. Lze získat vyšší hustotu energie. Množství hustoty energie výrazně ovlivňuje mikrostrukturu, vady a mechanické vlastnosti lisovaných dílů. Vhodná hustota energie zajistí, že slitina bude mít lepší mechanické vlastnosti. Díky jedinečnému procesu tváření technologie EBM se mikrostruktura a mechanické vlastnosti EBM tvarovaných dílů z titanové slitiny TC4 liší od běžně vyráběných (jako je kování) tvarovaných dílů z titanové slitiny TC4.

2.1 Mikrostruktura a ovlivňující faktory EBM formované slitiny titanu TC4

Změna teploty titanové slitiny TC4 tvarované EBM během procesu tváření ovlivňuje její mikrostrukturu. Nejprve se prášek roztaví působením elektronového paprsku a teplota kapalné slitiny dosáhne asi 1700 stupňů, což je mnohem více než teplota fázového přechodu titanové slitiny TC4 (995 stupňů). V tomto okamžiku je tekutá slitina složena z původních zrn; poté, jak se elektronový paprsek vzdaluje, kapalná slitina rychle ochlazuje na konstrukční teplotu (obecně 650-700 stupňů ), aby zůstala stabilní a stala se pevnou. V tomto okamžiku slitina prochází → + a jehličkovitá fáze a sloupcová fáze se vysrážejí. A1-Bermani a kol. věřte, že když je rychlost ochlazování v této fázi vyšší než 410 stupňů/s, vysráží se metastabilní martenzit, který se po dlouhodobém vystavení prostředí s vysokou teplotou rozloží na + vrstvenou strukturu a většina z něj bude Jemné jehlicovité lišty, s malým podílem fáze. Poté se vytvořená titanová slitina TC4 pomalu ochladí z konstrukční teploty na pokojovou teplotu a mikrostruktura slitiny se výrazně nemění a je stále složena z + fází. Mikrostruktura titanové slitiny TC4 tvarované EBM a kováním tvarované titanové slitiny TC4 jsou znázorněny na obrázku 2.

Domácí i zahraniční vědci provedli mnoho výzkumů v oblasti mikrostruktury slitin titanu TC4 vytvořených EBM a zjistili, že faktory, jako jsou parametry procesu lisování, poloha lisovaných dílů a velikost lisovaných dílů, ovlivní rychlost chlazení. slitiny během procesu tvarování, čímž se ovlivňuje její velikost zrna. Hrabe a spol. zjistili, že za podmínek, kdy je zajištěno, že přísun energie může úplně roztavit prášek titanové slitiny TC4 za vzniku hustých částí, způsobí odpovídající zvýšení rychlosti skenování elektronovým paprskem zmenšení velikosti roztavené lázně, zvýšení rychlosti ochlazování a tak se vysrážejí jemnější částice. lath a beta fáze. Murr a kol. a Wang a kol. zjistili, že mikrostruktura titanové slitiny TC4 vytvořené EBM se na různých místech liší. Jak je znázorněno na obrázku 3, poloha s nižší výškou nanášení má vyšší rychlost ochlazování, protože je blíže k formovacímu substrátu. Je to nestabilní růstová zóna a je náchylná k precipitaci jemné jehlicovité fáze; poloha s vyšší výškou nánosu má vyšší rychlost ochlazování. Čím silnější je lišta, tím větší jsou zrna; po uložení do určité výšky je ve stabilní růstové zóně a velikost laty a zrn bývá stabilní. Wang a kol. také studovali vliv velikosti výlisku na mikrostrukturu titanové slitiny TC4 vytvořené EBM a zjistili, že během procesu tavení a tuhnutí vrstvy po vrstvě měly menší vzorky větší rychlost ochlazování, čímž se vysrážely jemnější fáze. Galarraga a kol. dále studoval a zjistil, že změny v mikrostruktuře EBM lisované titanové slitiny TC4 souvisejí s dobou setrvání ve stavební komoře. Pokud je doba zdržení příliš dlouhá, způsobí to, že výška nanášení ve spodní části výšky nanášení bude nižší a mikrostruktura bude hrubší. výsledek. ​

2.2 Vady EBM lisované titanové slitiny TC4

V důsledku nesprávného výběru parametrů procesu nebo interference procesu mohou díly z titanové slitiny TC4 vytvořené EBM produkovat různé vady. Zhai a kol. zjistili, že existují dva typické defekty v mikrostruktuře EBM-formované titanové slitiny TC4: jedním je pór způsobený plynem argonu strženým v defektním prášku; druhým je pór způsobený špatným tavením slitinového prášku.

Gong a kol. klasifikoval defekty titanové slitiny TC4 do dvou hlavních kategorií na základě hustoty energie vstupního elektronového paprsku. Když je hustota energie příliš nízká, nestačí zcela propojit roztavené lázně s roztavenými lázněmi a mezi vrstvami, čímž se vytvoří nepravidelné defekty tání doprovázené určitým množstvím pórů. Když je hustota energie příliš vysoká, místní teplo rychle stoupá. Když se prášek roztaví, působením povrchového napětí sferoidizuje (tepelná vodivost prášku je nízká), čímž se vytvoří póry. Kahnert a kol. zjistili, že pokud je příkon energie příliš vysoký, nejenže se zhorší kvalita povrchu lisovaných dílů, ale ve vážných případech přestane fungovat cílový stroj systému práškového lakování, takže musí být zastaven samotný výrobní proces. Navíc, když proud elektronového paprsku překročí určitou prahovou hodnotu, slitinový prášek bude odfouknut a ve vrstvě zůstanou nepravidelné póry. V závažných případech se celé lože prášku zhroutí, jak je znázorněno na obrázku 5; Příprava práškového lože Teplo se používá ke zlepšení jeho adheze, překonání tahu elektronového paprsku na slitinový prášek a zabránění kolapsu prášku. Vady budou mít nepříznivý dopad na mechanické vlastnosti slitiny titanu C4. Parametry procesu EBM musí být optimalizovány, jako je řízení rychlosti skenování, úprava rozteče skenovacích řádků a optimalizace proudu elektronového paprsku, aby se snížil výskyt defektů.

3.1 Tahové vlastnosti titanové slitiny TC4 tvarované EBM

Bruno a kol. studoval tahové vlastnosti titanové slitiny TC4 vytvořené tvářením a kováním EBM. Vzhledem k tomu, že EBM formovaná titanová slitina TC4 je náchylná k defektům pórů během procesu tváření a její mikrostruktura je nerovnoměrně rozložena, což má za následek její pevnost v tahu, nejvyšší mez kluzu je 996 MPa a 919 MPa, což je o něco nižší než pevnost kovaného titanu TC4 slitina (pevnost v tahu a mez kluzu jsou 1034MPa, resp. 991MPa); Wang a kol. také studoval tahové vlastnosti titanové slitiny TC4 vytvořené EBM. Bylo zjištěno, že jeho pevnost v tahu je 1002 MPa, mez kluzu je 932 MPa a tažnost je 14,4 %. Všechny výkonnostní ukazatele jsou vyšší než u výkovků z titanové slitiny TC4 po úpravě žíháním a stárnutím.

V mechanických vlastnostech titanové slitiny TC4 formované EBM je výrazná anizotropie. Bruno a kol. a Hrabe a kol. zjistili, že pevnost v tahu EBM lisovaných vzorků v horizontálním směru byla silnější než ve vertikálním směru, zatímco prodloužení v horizontálním směru lisovaných vzorků bylo menší než prodloužení ve vertikálním směru. To je způsobeno nerovnoměrnými zrny B uvnitř slitiny: formovaný vzorek roste hlavně ve vertikálním směru; tvorba menších primárních zrn v horizontálním směru snižuje akumulaci napětí na hranicích zrn, čímž zpožďuje iniciaci trhlin a činí ji mírně větší tažností.

Hrabe a spol. zjistili, že zvýšení rychlosti skenování elektronovým paprskem (negativně související s hustotou energie) mírně sníží tloušťku desky (1,16μm → 0.95un), čímž se zvýší pevnost v tahu, mez kluzu a mikrotvrdost o 2 %. respektive. , 3 % a 2 %.

Formanoir a kol. udržovala titanovou slitinu TC4 vytvořenou pomocí EBM při 950 stupních po dobu 60 minut a 1040 stupních po 30 minut za použití dvou způsobů chlazení: vodního chlazení a vzduchového chlazení. Pevnost v tahu a mez kluzu slitiny byly mírně sníženy a prodloužení nebylo významně zlepšeno. Ukazuje, že pouze kontrola klíčových parametrů tváření EBM je efektivní cestou ke zlepšení vlastností slitiny.

3.2 Únavové vlastnosti titanové slitiny TC4 tvarované EBM

Chan a kol. testovala únavovou životnost (počet cyklů) EBM formované titanové slitiny TC4 a válcované titanové slitiny TC4 při působení střídavého namáhání v ohybu 600MPa (±10 %). Výsledky ukazují, že únavová životnost titanové slitiny TC4 vytvořené EBM je pouze 17 % únavové životnosti válcované slitiny; lom titanové slitiny TC4 vytvořené EBM je v důsledku špatných tavných oblastí rozmístěn s póry různých tvarů a její povrchová drsnost je také vzdálená. Vyšší než válcovaná titanová slitina TC4, což je důležitý důvod pro její nízkou únavovou životnost.

Tammas-Williams a kol. zjistili, že zpracování izostatickým lisováním za horka může účinně eliminovat většinu pórů v titanové slitině TC4 vytvořené EBM, ale pokud jsou ve vzorku nějaké tunelové otvory a jsou spojeny s povrchem, vysokotlaký argonový plyn při ošetření HIP pronikne do tunelů . V pórech se tyto defekty tunelu mírně rozšiřují, což způsobuje selhání léčby HIP; přidání povlaku ke vzorku před HIP může odstranit defekty tunelu. Shui a kol. zjistili, že po ošetření HIP titanové slitiny TC4 vytvořené pomocí EBM, ačkoliv lišty zesílily, dislokační hustota se snížila a pevnost v tahu a mez kluzu se snížily z 870 MPa a 788 MPa na 819 MPa a 711 MPa, ošetření HIP učinilo strukturu jednotnější, relativní hustota slitiny se zvýšila z 99,3 % na 99,8 %, čímž se snížily zdroje iniciace trhlin, čímž se zvýšila únavová pevnost z 460 boa na 580 MPa.