Titánová zliatina TC4 je široko používaná v leteckom, chemickom, biomedicínskom a iných dôležitých oblastiach kvôli jej odolnosti proti korózii, vysokej špecifickej pevnosti, dobrej húževnatosti a vynikajúcej biokompatibilite. Spracovanie titánovej zliatiny TC4 tradičným procesom má však nedostatky nízkeho využitia materiálu, vysokých výrobných nákladov a ťažkej deformácie, čo vážne obmedzuje popularizáciu a aplikáciu titánovej zliatiny TC4 a vznik technológie 3D tlače túto situáciu zlepší. .
3D tlač, ktorej vedecký názov je aditívna výroba, vznikla v technológii rýchleho prototypovania v 90. rokoch. Na rozdiel od subtraktívnej výroby využíva diskrétny/skladovací princíp, využitie výpočtovej techniky na spracovanie častí 3D masívneho modelu narezaného na sériu tenkých plátkov s určitou hrúbkou, 3D tlačové zariadenie na spracovanie analýzy dát a spracovanie kontinuálneho spracovanie každého tenkého plátku a stohovanie, po ktorom nasleduje vytvorenie hustých pevných častí. Technológia 3D tlače je vhodná na spracovanie dielov akéhokoľvek tvaru a má vysokú mieru využitia materiálu, nízku cenu, technológia 3D tlače je vhodná na spracovanie dielov akéhokoľvek tvaru a má výhody vysokého využitia materiálu, nízkych nákladov, vysoká flexibilita a vysoká integrácia, zvlášť vhodná na lisovanie titánovej zliatiny TC4. Technológia 3D tlače zahŕňa najmä technológiu selektívneho laserového tavenia a formovania (selektívne laserové tavenie (SLM), laserom navrhnutú technológiu tvarovania siete (laser engineering net shaping (LENS)) a technológiu tavenia a formovania elektrónovým lúčom (elektrónovým lúčom tavenie (EBM)), ktorá je najpokročilejšia technológia v tomto odvetví. tavenie elektrónovým lúčom (EBM). Medzi nimi má EBM lisovanie mnoho výhod v porovnaní s ďalšími dvoma lisovacími technológiami: (1) EBM lisovanie využíva elektrónový lúč ako zdroj energie, bez odrazu vo výrobnom procese , vysoké využitie energie; (2) Lisovanie EBM sa vykonáva vo vákuovom prostredí, ktoré môže účinne zabrániť kontaminácii iných prvkov vo vzduchu; (3) Lisovanie EBM je efektívnejšie ako iné technológie lisovania vďaka vysokému energetickému vstupu a vysoká rýchlosť skenovania; (4) Lisovanie EBM je efektívnejšie ako iné technológie lisovania vďaka vysokému energetickému vstupu a vysokej rýchlosti skenovania; (5) Lisovanie EBM je efektívnejšie ako iné technológie lisovania. (4) Lisovacie diely EBM majú menšie zvyškové napätie a nevyžadujú následné tepelné spracovanie, čím šetria energiu.
Tento článok vychádza z princípu technológie EBM, sumarizuje relevantné výsledky výskumu doma a v zahraničí, popisuje mikroštruktúru, defekty a mechanické vlastnosti dielov zo zliatiny titánu TC4 lisovaných pomocou EBM pri rôznych procesných parametroch a nakoniec sa teší na perspektívy jej aplikácie.
1.Princíp a hlavné parametre EBM
V prvom rade softvér Magicsl9.0 rozdeľuje a vrství 3D model dielu podľa určitej hrúbky, aby získal celkovú dvojrozmernú informáciu o diele. Potom systém EBM rovnomerne rozprestrie zliatinový prášok na substrát podľa určitej hrúbky a naskenuje a roztaví zliatinový prášok na substráte pomocou elektrónového lúča vytvoreného prúdom prechádzajúcim cez volfrámové vlákno ako zdroj tepla pri pôsobení zaostrovacia cievka a elektromagnetická vychyľovacia cievka. Každá skenovacia taviaca vrstva elektrónového lúča, stôl klesne o výšku vrstvy a potom znovu položí prášok, elektrónový lúč, aby sa zopakoval skenovací proces tavenia, a každá spracovaná vrstva sa navzájom kondenzovala do celku. Celý výrobný proces prebieha vo vákuovom prostredí, čím sa účinne predchádza možnosti oxidácie titánovej zliatiny počas spracovania. Po výrobe systém EBM vyberie diel z konštrukčnej komory a umiestni ho do systému na regeneráciu prášku (PRS), ktorý používa vysokotlakový vzduch na odstránenie prášku priľnutého na povrchu dielu, výsledkom čoho je lisovaný diel s hladkým povrchom. .
Hlavnými parametrami technológie EBM sú prúd elektrónového lúča, urýchľovacie napätie, rýchlosť snímania, hrúbka vrstvy, vzdialenosť snímacích línií a kompenzácia ohniska atď. Úpravou týchto parametrov je možné získať rôzne hustoty energie, napr. alebo znížením rýchlosti skenovania možno dosiahnuť vyššiu hustotu energie. Veľkosť hustoty energie výrazne ovplyvňuje mikroštruktúru, defekty a mechanické vlastnosti lisovaných dielov a vhodná hustota energie spôsobí, že zliatina bude mať lepšie mechanické vlastnosti. Vďaka jedinečnému lisovaciemu procesu technológie EBM sa mikroštruktúra a mechanické vlastnosti lisovaných dielov z titánovej zliatiny TC4 odliatych od bežne vyrábaných (napr. kovaných) lisovaných dielov z titánovej zliatiny TC4.
2. EBM tvoriace mikroštruktúru a defekty titánovej zliatiny TC4
2.1 EBM tvoriace mikroštruktúru titánovej zliatiny TC4 a ovplyvňujúce faktory
Zmena teploty EBM tvárnej titánovej zliatiny TC4 v procese tvárnenia ovplyvňuje jej mikroštruktúru. Po prvé, prášok sa topí pôsobením elektrónového lúča a teplota kvapalnej zliatiny dosiahne približne 1700 stupňov, čo je oveľa vyššia teplota ako teplota fázového prechodu titánovej zliatiny TC4 (995 stupňov), v tomto čase kvapalina zliatina pozostáva z pôvodných zŕn; a potom, keď je elektrónový lúč preč, tekutá zliatina sa rýchlo ochladí na teplotu vytvárania (všeobecne 650-700 stupňov ), aby zostala stabilná a stala sa pevným stavom, v tomto čase zliatina podlieha → + a precipitácia ihličkovitej fázy. Precipitácia ihličkovej fázy a stĺpcovej fázy. A1-Bermani a kol. veríme, že v tomto štádiu ochladzovania väčšou ako 410 stupňov/s, dôjde k precipitácii substabilného „martenzitu, dlhého času v prostredí s vysokou teplotou a rozkladu + vrstvenej štruktúry a väčšiny jemných ihličkovitých líšt a malého časť fázy. Po formovaní titánovej zliatiny TC4 stavebnou teplotou pomaly ochladenou na izbovú teplotu sa mikroštruktúra zliatiny výrazne nezmenila, stále zložená z + fázy. Lisovanie EBM titánovej zliatiny TC4 a kovanie mikroštruktúry titánovej zliatiny TC4, ako je znázornené na obrázku 2.
Vedci doma iv zahraničí pre formovanie EBM Mikroštruktúra titánovej zliatiny TC4 vykonala veľa výskumov a zistila, že parametre procesu formovania, umiestnenie častí formovania, veľkosť časti formovania a ďalšie faktory ovplyvnia rýchlosť chladenia zliatiny v procese formovania. , čo následne ovplyvňuje veľkosť jeho zrnitosti. Hrabe a spol. zistilo sa, že za podmienok, ktoré zaručujú, že je možné vykonať vstup energie tak, aby sa prášok titánovej zliatiny TC4 úplne roztavil, aby vytvoril hustú časť, primerane zvýšili elektronický lúč Rýchlosť skenovania spôsobuje zmenšenie veľkosti bazénu taveniny a rýchlosti ochladzovania zvýšiť, čo má za následok precipitáciu jemnejších -lamiel a -fáz.Murr et al. a Wang a kol. zistili, že mikroštruktúry titánových zliatin TC4 vytvorených EBM boli na rôznych miestach rôzne. Ako je znázornené na obr. 3, poloha nižšej výšky nanášania v dôsledku bližšieho k formovaciemu substrátu a teda vyššej rýchlosti ochladzovania je nestabilnou rastovou zónou, ktorá sa ľahko zráža jemnou ihličkovitou fázou; čím vyššia je výška uloženia polohy laty hrubšia, tým väčšie sú zrná; uloženie určitej výšky, lata je v stabilnej rastovej zóne, rovnako aj zrnitosť býva stabilizovaná. Wang a kol. tiež skúmal vplyv veľkosti lisovaných dielov na mikroštruktúru titánovej zliatiny TC4 vytvorenej pomocou EBM a zistil, že v procese tavenia a tuhnutia vrstva po vrstve bola rýchlosť chladenia menších vzoriek väčšia, a preto sa zrážali jemnejšie. -fáza.Galarraga et al. ďalej skúmali a zistili, že zmena mikroštruktúry titánovej zliatiny TC4 vytvorenej EBM súvisela s dobou jej zotrvania v stavebnej komore a že doba zotrvania bola príliš dlhá, čo by viedlo k ukladaniu nižšej výšky a vyššej mikroštruktúry v spodná časť ukladacej výšky. výška je nižšia, mikroštruktúra je hrubšia.
2.2 Chyby v EBM výlisku titánovej zliatiny TC4
Kvôli nesprávnemu výberu parametrov procesu alebo interferencii procesu môže EBM lisovanie dielov z titánovej zliatiny TC4 spôsobiť rôzne chyby. Zhai a kol. zistili, že existujú dva typické defekty v mikroštruktúre EBM výlisku titánovej zliatiny TC4: jedným je pórovitosť spôsobená plynným argónom zachyteným v defektnom prášku; druhým je pórovitosť spôsobená zlým tavením zliatinového prášku.
Gong a spol. klasifikoval defekty titánovej zliatiny TC4 do dvoch hlavných kategórií podľa úrovne hustoty energie vstupného elektrónového lúča. Keď je hustota energie príliš nízka, nestačí úplne spojiť kúpeľ taveniny s kúpeľom taveniny a vrstvy s vrstvami, pričom vznikajú nepravidelné defekty topenia sprevádzané určitou mierou pórovitosti. Keď je hustota energie príliš vysoká, čo vedie k rýchlemu nárastu lokálneho tepla, prášok sa pôsobením nafukovania povrchového napätia (nízka tepelná vodivosť prášku) topí a tým sa vytvárajú póry. kahnert a kol. zistili, že vstup energie je príliš vysoký, nielenže sa zhorší kvalita povrchu lisovaných dielov a vo vážnych prípadoch to povedie k tomu, že zameriavací stroj systému práškového lakovania prestane fungovať, čo si vyžiada prerušenie samotný výrobný proces. Okrem toho, keď prúd elektrónového lúča prekročí určitú prahovú hodnotu, zliatinový prášok sa odfúkne a zanechá nepravidelné póry vo vrstve, čo v závažných prípadoch spôsobí kolaps celého práškového lôžka, ako je znázornené na obrázku 5; predhriatie práškového lôžka na zlepšenie jeho adhézie a prekonanie ťahu elektrónového lúča na zliatinový prášok môže zabrániť vzniku kolapsu prášku. Defekty budú mať negatívny vplyv na mechanické vlastnosti titánovej zliatiny C4 a parametre procesu EBM sa musia optimalizovať, ako je napríklad riadenie rýchlosti skenovania, úprava rozstupu riadkov skenovania a optimalizácia prúdu elektrónového lúča, aby sa znížila tvorba defektov.
3.Mechanické vlastnosti EBM lisovanej titánovej zliatiny TC4
3.1 Ťahové vlastnosti EBM lisovanej titánovej zliatiny TC4
Bruno a spol. študovali ťahové vlastnosti EBM-formovaných a kovaním formovaných titánových zliatin TC4, vzhľadom na skutočnosť, že EBM-formované titánové zliatiny TC4 sú náchylné na defekty pórov počas lisovacieho procesu a ich mikroštruktúrne rozloženie nie je homogénne, výsledkom čoho je najvyššia pevnosť v ťahu a medze klzu 996 MPa a 919 MPa, v tomto poradí, ktoré sú o niečo nižšie ako u kovaním tvarovaných zliatin titánu TC4 (medza klzu a medza klzu 1034 MPa a 991 MPa:); Wang a kol. medza klzu 1034MPa, resp. 991MPa:); Wang a kol. tiež študovali ťahové vlastnosti EBM lisovanej titánovej zliatiny TC4 a zistili, že jej pevnosť v ťahu bola 1002 MPa, medza klzu bola 932 MPa a predĺženie bolo 14,4 %, z ktorých všetky boli vyššie ako u výkovkov z titánovej zliatiny TC4 po spracovaní žíhaním a starnutím. .
V mechanických vlastnostiach EBM lisovanej titánovej zliatiny TC4 existuje významná anizotropia. Bruno a kol. a Hrabe a kol. zistili, že pevnosť v ťahu formovaných vzoriek EBM v horizontálnom smere je silnejšia ako vo vertikálnom smere a predĺženie formovaných vzoriek v horizontálnom smere je menšie ako vo vertikálnom smere. Je to spôsobené nehomogenitou zrna B v zliatine: tvarovaná vzorka rastie hlavne vo vertikálnom smere; tvorba menších primárnych zŕn v horizontálnom smere znižuje nahromadenie napätia na hraniciach zŕn, čo oneskoruje iniciáciu trhlín a vedie k mierne väčšiemu predĺženiu.
Hrabe a spol. zistili, že zvýšenie rýchlosti skenovania elektrónovým lúčom (ktoré negatívne koreluje s hustotou energie) viedlo k miernemu zníženiu hrúbky lamiel (1,16 μm → 0.95un), čo následne zvýšilo pevnosť v ťahu pevnosť, medza klzu a mikrotvrdosť o 2 %, 3 % a 2 %.
Formanoir a kol. Lisovanie EBM titánovej zliatiny TC4 sa udržiavalo pri 950 stupňoch počas 60 minút a 1040 stupňoch počas 30 minút, pričom sa použili dve metódy chladenia vodou a vzduchom, pevnosť v ťahu a medza klzu zliatiny sa mierne znížili, predĺženie sa výrazne nezvýšilo, čo naznačuje, že iba kontrola kľúčových parametrov výlisku EBM je účinnou metódou na zlepšenie výkonu zliatiny.
3.2 Únavové vlastnosti EBM lisovanej titánovej zliatiny TC4
Chan a spol. testovali únavovú životnosť (počet cyklov) EBM vytvarovanej titánovej zliatiny TC4 a valcovanej titánovej zliatiny TC4 pri striedavom namáhaní v ohybe 600 MPa (±10 %). Výsledky ukazujú, že únavová životnosť titánovej zliatiny TC4 vytvarovanej EBM je len 17 % únavovej životnosti valcovanej zliatiny; lom EBM formovanej titánovej zliatiny TC4 je rozdelený s rôznymi tvarmi pórov v dôsledku zle natavených oblastí a jej povrchová drsnosť je oveľa vyššia ako u valcovanej titánovej zliatiny TC4, čo je dôležitý dôvod pre jej nízku únavovú životnosť.
Tammas-Williams a kol. zistili, že ošetrenie izostatickým tlakom za horúca môže účinne eliminovať väčšinu pórov v titánovej zliatine TC4 vytvorenej EBM, ale ak vo vzorkách existujú tunelové otvory a sú spojené s povrchom, vysokotlakový argónový plyn pri ošetrení HIP prenikne do tunelové diery, ktoré spôsobujú, že tieto defekty tunelovania sa mierne rozširujú, čo vedie k zlyhaniu ošetrenia HIP; pridanie povlakov do vzoriek pred HIP môže odstrániť defekty tunelovania. Shui a spol. zistili, že po úprave titánovej zliatiny TC4 vytvorenej pomocou EBM, aj keď sa lamela stáva hrubšou, hustota dislokácie klesá a pevnosť v ťahu, ako aj medza klzu klesajú z 870 MPa a 788 MPa na 819 MPa a 711 MPa, úprava HIP robí organizáciu homogénnejšou a relatívna hustota zliatiny stúpne z 99,3 % na 99,8 %, čo znižuje zdroj praskania, čo zase zvyšuje únavovú pevnosť zo 460 boa na 580 MPa.
4. Záver
V súhrne výsledky domáceho a zahraničného výskumu titánovej zliatiny TC4 tvoriacej EBM ukazujú, že: EBM tvoriaca titánovú zliatinu TC4 makroskopická organizácia pre rast stĺpcových kryštálov pozdĺž smeru stavby, mikroštruktúra pre + vrstvenú štruktúru, čím rýchlejšia je rýchlosť chladenia, jednoduchšie je získať jemnejšiu mikroštruktúru. Optimalizáciou parametrov procesu má EBM najlepšiu hustotu energie, ktorá môže účinne zabrániť vzniku veľkého počtu defektov. Následná úprava HOP je tiež schopná odstrániť póry a homogenizovať mikroštruktúru, čo výrazne zlepšuje únavové vlastnosti, hoci vedie k zhrubnutiu zrna, nižšej dislokačnej hustote a miernemu zníženiu pevnosti zliatiny. Optimalizáciu parametrov procesu tvarovania EBM doplnenú vhodnou následnou úpravou možno dosiahnuť klasickým odlievaním a kovaním zliatin titánu TC4 s porovnateľným výkonom. EBM šetrí suroviny, rýchlo, efektívne, ľahko tvarovateľné zložité tvary obrobku lisovanie a postupne nahradí súčasné subtraktívne výrobné metódy používané v kozmickom, chemickom a medicínskom odvetví.
