Postęp EBM w formowaniu stopu tytanu TC4

Najpierw model 3D części jest cięty i warstwowany według określonej grubości za pomocą oprogramowania Magicsl9.0 w celu uzyskania ogólnych informacji 2D o części. Następnie system EBM równomiernie rozprowadza proszek stopowy do określonej grubości na podłożu i wykorzystuje jako źródło ciepła wiązkę elektronów utworzoną przez prąd przepływający przez drut wolframowy. Pod działaniem cewki ogniskującej i cewki odchylającej elektromagnetycznie przetwarzany jest proszek stopowy na podłożu. Zeskanuj stopiony materiał. Za każdym razem, gdy wiązka elektronów skanuje i topi warstwę, stół warsztatowy obniża się o jedną wysokość warstwy, a następnie proszek jest ponownie rozprowadzany. Wiązka elektronów skanuje i topi proces wielokrotnie, a każda przetworzona warstwa skrapla się w całość. Cały proces produkcyjny odbywa się w środowisku próżniowym, co skutecznie zapobiega utlenieniu stopu tytanu podczas przetwarzania. Po zakończeniu produkcji system EBM wyjmuje części z komory roboczej i umieszcza je w systemie odzyskiwania proszku. W PRS powietrze pod wysokim ciśnieniem usuwa przyklejony do powierzchni detali proszek, dzięki czemu uzyskuje się wypraski o gładkiej powierzchni.

Główne parametry technologii EBM obejmują prąd wiązki elektronów, napięcie przyspieszenia, prędkość skanowania, grubość warstwy, odstęp linii skanowania i kompensację ostrości. Dostosowując te parametry, można uzyskać różne gęstości energii, takie jak zwiększenie prądu wiązki elektronów lub zmniejszenie prędkości skanowania. Można uzyskać większą gęstość energii. Wielkość gęstości energii ma ogromny wpływ na mikrostrukturę, defekty i właściwości mechaniczne formowanych części. Odpowiednia gęstość energii sprawi, że stop będzie miał lepsze właściwości mechaniczne. Ze względu na unikalny proces formowania w technologii EBM, mikrostruktura i właściwości mechaniczne części formowanych ze stopu tytanu TC4 formowanych przez EBM różnią się od części formowanych ze stopu tytanu TC4 wytwarzanych konwencjonalnie (takich jak kucie).

2.1 Mikrostruktura i czynniki wpływające na stop tytanu TC4 utworzony przez EBM

Zmiana temperatury stopu tytanu TC4 utworzonego przez EBM podczas procesu formowania wpływa na jego mikrostrukturę. Najpierw proszek topi się pod działaniem wiązki elektronów, a temperatura ciekłego stopu osiąga około 1700 stopni, czyli znacznie wyższą niż temperatura przejścia fazowego stopu tytanu TC4 (995 stopni). W tym czasie ciekły stop składa się z oryginalnych ziaren; następnie, gdy wiązka elektronów oddala się, ciekły stop szybko ochładza się do temperatury konstrukcyjnej (zwykle 650-700 stopnia), aby zachować stabilność i stać się stałym. W tym czasie stop ulega → + i wytrąca się faza igłowa i faza kolumnowa. A1-Bermani i in. uważają, że gdy szybkość chłodzenia na tym etapie będzie większa niż 410 stopni/s, wytrąci się metastabilny martenzyt, który po długim czasie wystawienia na działanie środowiska o wysokiej temperaturze rozłoży się na strukturę warstwową, a większość z niego zostanie Drobne listki przypominające igły, z niewielką ilością fazy. Następnie powstały stop tytanu TC4 jest powoli schładzany od temperatury konstrukcyjnej do temperatury pokojowej, a mikrostruktura stopu nie zmienia się znacząco i nadal składa się z faz +. Mikrostrukturę stopu tytanu TC4 formowanego EBM i stopu tytanu TC4 formowanego przez kucie pokazano na rysunku 2.

Naukowcy krajowi i zagraniczni przeprowadzili wiele badań nad mikrostrukturą stopów tytanu TC4 formowanych przez EBM i odkryli, że na szybkość chłodzenia będą miały wpływ takie czynniki, jak parametry procesu formowania, położenie wyprasek i wielkość wyprasek. stopu podczas procesu formowania, wpływając w ten sposób na jego wielkość ziaren. Hrabe i in. odkryli, że w warunkach zapewniających, że energia doprowadzona może całkowicie stopić proszek stopu tytanu TC4 z utworzeniem gęstych części, odpowiednie zwiększenie prędkości skanowania wiązką elektronów spowoduje zmniejszenie rozmiaru stopionego jeziorka i zwiększenie szybkości chłodzenia, oraz w ten sposób wytrącą się drobniejsze cząstki. faza lat i beta. Murr i in. oraz Wang i in. odkryli, że mikrostruktura stopu tytanu TC4 utworzonego przez EBM jest różna w różnych miejscach. Jak pokazano na rysunku 3, położenie o niższej wysokości osadzania charakteryzuje się większą szybkością chłodzenia, ponieważ znajduje się bliżej podłoża formierskiego. Jest to strefa niestabilnego wzrostu, podatna na wytrącanie fazy drobnoigłowej; pozycja z większą wysokością osadzania charakteryzuje się większą szybkością chłodzenia. Im grubsza listwa, tym większe ziarna; po osadzeniu na określonej wysokości znajduje się w strefie stabilnego wzrostu, a wielkość listwy i ziaren jest raczej stabilna. Wang i in. zbadali także wpływ rozmiaru wypraski na mikrostrukturę stopu tytanu TC4 utworzonego przez EBM i odkryli, że podczas procesu topienia i krzepnięcia warstwa po warstwie mniejsze próbki charakteryzowały się większą szybkością chłodzenia, wytrącając w ten sposób drobniejsze fazy. Galarraga i in. dalsze badania i wykazały, że zmiany w mikrostrukturze stopu tytanu TC4 formowanego przez EBM są powiązane z czasem przebywania w komorze roboczej. Jeśli czas przebywania jest zbyt długi, spowoduje to, że wysokość osadzania w dolnej części wysokości osadzania będzie niższa, a mikrostruktura będzie grubsza. wynik. ​

2.2 Wady stopu tytanu TC4 formowanego przez firmę EBM

Z powodu niewłaściwego doboru parametrów procesu lub zakłóceń procesu, części ze stopu tytanu TC4 formowane przez EBM mogą powodować różne defekty. Zhai i in. odkryli, że istnieją dwa typowe defekty w mikrostrukturze stopu tytanu TC4 formowanego metodą EBM: jeden to pory spowodowane przez argon uwięziony w wadliwym proszku; drugim są pory spowodowane słabym stopieniem proszku stopowego.

Gong i in. sklasyfikował defekty stopu tytanu TC4 na dwie główne kategorie w oparciu o gęstość energii wejściowej wiązki elektronów. Gdy gęstość energii jest zbyt mała, nie wystarczy całkowicie połączyć jeziorka stopionego z basenami i pomiędzy warstwami, tworząc nieregularne defekty topnienia, którym towarzyszy pewna ilość porów. Gdy gęstość energii jest zbyt duża, lokalne ciepło gwałtownie wzrasta. Kiedy proszek topi się, pod wpływem napięcia powierzchniowego ulega sferoidyzacji (przewodność cieplna proszku jest niska), tworząc w ten sposób pory. Kahnert i in. odkryli, że jeśli pobór energii jest zbyt wysoki, nie tylko pogorszy się jakość powierzchni formowanych części, ale w poważnych przypadkach docelowa maszyna systemu malowania proszkowego przestanie działać, co spowoduje konieczność zatrzymania samego procesu produkcyjnego. Ponadto, gdy prąd wiązki elektronów przekroczy określony próg, proszek stopowy zostanie zdmuchnięty, pozostawiając w warstwie nieregularne pory. W ciężkich przypadkach całe złoże proszku zapadnie się, jak pokazano na rysunku 5; Przygotowanie złoża proszku Ciepło wykorzystuje się do poprawy jego przyczepności, pokonania naporu wiązki elektronów na proszek stopu i uniknięcia zapadnięcia się proszku. Wady będą miały niekorzystny wpływ na właściwości mechaniczne stopu tytanu C4. Aby ograniczyć występowanie defektów, należy zoptymalizować parametry procesu EBM, np. kontrolować prędkość skanowania, dostosowywać odstępy między liniami skanowania i optymalizować prąd wiązki elektronów.

3.1 Właściwości rozciągające stopu tytanu TC4 utworzonego przez EBM

Bruno i in. zbadali właściwości rozciągające stopu tytanu TC4 utworzonego przez formowanie i kucie EBM. Ponieważ stop tytanu TC4 utworzony przez EBM jest podatny na defekty porów podczas procesu formowania, a jego mikrostruktura jest nierównomiernie rozłożona, co skutkuje jego wytrzymałością na rozciąganie, najwyższe granice plastyczności wynoszą odpowiednio 996 MPa i 919 MPa, czyli są nieco niższe niż wytrzymałość kutego tytanu TC4 stop (wytrzymałość na rozciąganie i granica plastyczności wynoszą odpowiednio 1034 MPa i 991 MPa); Wang i in. zbadał także właściwości rozciągające stopu tytanu TC4 utworzonego przez EBM. Stwierdzono, że jego wytrzymałość na rozciąganie wynosi 1002 MPa, granica plastyczności 932 MPa, a wydłużenie 14,4%. Wszystkie wskaźniki wydajności są wyższe niż w przypadku odkuwek ze stopu tytanu TC4 po wyżarzeniu i starzeniu.

Występuje znaczna anizotropia właściwości mechanicznych stopu tytanu TC4 utworzonego przez EBM. Bruno i in. oraz Hrabe i in. stwierdzili, że wytrzymałość na rozciąganie uformowanych próbek EBM w kierunku poziomym była większa niż w kierunku pionowym, natomiast wydłużenie w kierunku poziomym uformowanych próbek było mniejsze niż wydłużenie w kierunku pionowym. Jest to spowodowane nierównymi ziarnami B wewnątrz stopu: formowana próbka rośnie głównie w kierunku pionowym; powstawanie mniejszych ziaren pierwotnych w kierunku poziomym zmniejsza akumulację naprężeń na granicach ziaren, opóźniając w ten sposób inicjację pęknięć i powodując ich nieco większe wydłużenie.

Hrabe i in. odkryli, że zwiększenie prędkości skanowania wiązką elektronów (ujemnie powiązanej z gęstością energii) nieznacznie zmniejszy grubość płyty (1,16 μm → 0,95un), zwiększając w ten sposób wytrzymałość na rozciąganie, granicę plastyczności i mikrotwardość o 2% odpowiednio. , 3% i 2%.

Formanoir i in. utrzymywał utworzony przez EBM stop tytanu TC4 w temperaturze 950 stopni odpowiednio przez 60 minut i 1040 stopni przez 30 minut, stosując dwie metody chłodzenia: chłodzenie wodą i chłodzenie powietrzem. Wytrzymałość na rozciąganie i granica plastyczności stopu uległy nieznacznemu obniżeniu, a wydłużenie nie uległo istotnej poprawie. Pokazuje, że jedynie kontrolowanie kluczowych parametrów formowania EBM jest skutecznym sposobem na poprawę właściwości stopu.

3.2 Właściwości zmęczeniowe stopu tytanu TC4 utworzonego przez EBM

Chan i in. zbadano trwałość zmęczeniową (liczbę cykli) formowanego przez EBM stopu tytanu TC4 i walcowanego stopu tytanu TC4 pod działaniem zmiennego naprężenia zginającego o wartości 600 MPa (±10%). Wyniki pokazują, że trwałość zmęczeniowa stopu tytanu TC4 formowanego przez EBM wynosi tylko 17% trwałości zmęczeniowej stopu walcowanego; pęknięcie stopu tytanu TC4 utworzonego przez EBM jest rozmieszczone z porami o różnych kształtach z powodu słabych obszarów topnienia, a chropowatość jego powierzchni jest również odległa. Wyższy niż walcowany stop tytanu TC4, co jest ważnym powodem jego niskiej trwałości zmęczeniowej.

Tammas-Williams i in. odkryli, że obróbka prasowaniem izostatycznym na gorąco może skutecznie wyeliminować większość porów w stopie tytanu TC4 formowanym przez EBM, ale jeśli w próbce znajdują się otwory tunelowe i są one połączone z powierzchnią, gazowy argon pod wysokim ciśnieniem poddany obróbce HIP przeniknie do tuneli . W porach te defekty tunelowe nieznacznie się rozszerzają, co powoduje niepowodzenie leczenia HIP; dodanie powłoki do próbki, zanim HIP będzie w stanie usunąć defekty tunelu. Shui i in. odkryli, że po obróbce HIP stopu tytanu TC4 utworzonego przez EBM, chociaż listwy stały się grubsze, gęstość dyslokacji spadła, a wytrzymałość na rozciąganie i granica plastyczności spadły z odpowiednio 870 MPa i 788 MPa do 819 MPa i 711 MPa, obróbka HIP sprawiła, że ​​struktura była bardziej jednolita, gęstość względna stopu wzrosła z 99,3% do 99,8%, redukując źródła inicjacji pęknięć, zwiększając tym samym wytrzymałość zmęczeniową z 460boa do 580MPa.