TC4 titanlegering er mye brukt i romfart, kjemiske, biomedisinske og andre viktige felt på grunn av sin korrosjonsbestandighet, høye spesifikke styrke, gode seighet og utmerket biokompatibilitet. Imidlertid har behandlingen av TC4 titanlegering under den tradisjonelle prosessen manglene med lav materialutnyttelse, høye produksjonskostnader og vanskelig deformasjon, noe som alvorlig begrenser populariseringen og anvendelsen av TC4 titanlegering, og fremveksten av 3D-utskriftsteknologi vil forbedre denne situasjonen .
3D-utskrift, hvis vitenskapelige navn er additiv produksjon, oppsto i 1990-tallets raske prototyping-teknologi. Forskjellig fra den subtraktive produksjonen, bruker den diskret/stable-prinsippet, bruken av datateknologi for å behandle deler av den solide 3D-modellen kuttet i en serie tynne skiver med en viss tykkelse, 3D-utskriftsutstyr for behandling av dataanalyse og prosessering av kontinuerlig behandling av hver tynn skive og stabling, etterfulgt av dannelse av tette faste deler. 3D-utskriftsteknologi er egnet for behandling av enhver form på delene og har en høy utnyttelsesgrad av materialet, lav pris, 3D-utskriftsteknologi er egnet for å behandle deler av enhver form, og har fordelene med høy materialutnyttelse, lav pris, høy fleksibilitet og høy integrasjon, spesielt egnet for støping av TC4 titanlegering. 3D-utskriftsteknologi inkluderer hovedsakelig selektiv lasersmelting og støpingsteknologi (selektiv lasersmelting (SLM), laserutviklet nettformingsteknologi (laserutformet nettforming (LENS)) og elektronstrålesmelting og -støpingsteknologi (elektronstrålesmelting (EBM)), som er den mest avanserte teknologien i bransjen. elektronstrålesmelting (EBM). Blant dem har EBM-støping mange fordeler sammenlignet med de to andre støpeteknologiene: (1) EBM-støping bruker elektronstråle som energikilde, ingen refleksjon i produksjonsprosessen , høy energiutnyttelse; (2) EBM-støping utføres i et vakuummiljø, som effektivt kan unngå forurensning av andre elementer i luften; (3) EBM-støping er mer effektiv enn de andre støpeteknologiene på grunn av den høye energitilførselen og høy skannehastighet; (4) EBM-støping er mer effektiv enn de andre støpeteknologiene på grunn av høy energitilførsel og høy skannehastighet; (5) EBM-støping er mer effektiv enn de andre støpeteknologiene. (4) EBM-støpedeler har mindre restspenning og krever ikke etterfølgende varmebehandling, noe som sparer energi.
Denne artikkelen tar utgangspunkt i prinsippet om EBM-teknologi, oppsummerer relevante forskningsresultater i inn- og utland, beskriver mikrostrukturen, defektene og de mekaniske egenskapene til TC4 titanlegeringsdeler støpt av EBM under forskjellige prosessparametere, og ser til slutt frem til applikasjonsutsiktene.
1. Prinsipp og hovedparametre for EBM
Først og fremst deler og legger Magicsl9.0-programvaren 3D-modellen til delen i stykker i henhold til en viss tykkelse, for å få den generelle todimensjonale informasjonen til delen. Deretter sprer EBM-systemet legeringspulveret jevnt på underlaget i henhold til en viss tykkelse, og skanner og smelter legeringspulveret på underlaget med elektronstrålen dannet av strømmen som går gjennom wolframfilamentet som varmekilde under påvirkning av fokuseringsspolen og den elektromagnetiske avbøyningsspolen. Hver skanning smeltende lag av elektronstrålen, vil bordet slippe et lag høyde, og deretter legge pulveret, elektronstrålen for å gjenta skanning smelteprosessen, og hvert behandlet lag hverandre kondensert til en helhet. Hele produksjonsprosessen utføres i et vakuummiljø, og unngår dermed effektivt muligheten for oksidasjon av titanlegeringen under bearbeiding. Etter fabrikasjon fjerner EBM-systemet delen fra byggekammeret og plasserer den i et pulvergjenvinningssystem (PRS), som bruker høytrykksluft for å fjerne pulveret som fester seg til delens overflate, noe som resulterer i en støpt del med en glatt overflate .
Hovedparametrene til EBM-teknologi er elektronstrålestrøm, akselererende spenning, skannehastighet, lagtykkelse, skannelinjeavstand og brennpunktskompensasjon, etc. Ulike energitettheter kan oppnås ved å justere disse parameterne, for eksempel ved å øke elektronstrålestrømmen eller redusere skannehastigheten, kan høyere energitettheter oppnås. Størrelsen på energitettheten påvirker i stor grad mikrostrukturen, defektene og de mekaniske egenskapene til de støpte delene, og passende energitetthet vil gjøre at legeringen har bedre mekaniske egenskaper. På grunn av den unike støpeprosessen til EBM-teknologi, er mikrostrukturen og de mekaniske egenskapene til EBM-støpte TC4 titanlegeringsstøpte deler forskjellige fra konvensjonelt produserte (f.eks. smidde) TC4 titanlegeringsstøpte deler.
2.EBM danner TC4 titanlegering mikrostruktur og defekter
2.1 EBM danner TC4 titanlegering mikrostruktur og påvirkningsfaktorer
Temperaturendringen til EBM som danner TC4 titanlegering i formingsprosessen påvirker mikrostrukturen. Først av alt smelter pulveret under påvirkning av elektronstrålen, og den flytende legeringstemperaturen når omtrent 1700 grader, som er mye høyere enn faseovergangstemperaturen til TC4 titanlegering (995 grader), på dette tidspunktet, væsken legering består av originale korn; og deretter, med elektronstrålen borte, avkjøles den flytende legeringen raskt til byggetemperaturen (vanligvis 650-700 grad ) for å forbli stabil, og blir en fast tilstand, på dette tidspunktet gjennomgår legeringen en → + , og utfelling av nålfase. Utfelling av nålfase og søylefase. A1-Bermani et al. tror at på dette stadiet av kjølehastigheten større enn 410 grader / s, vil utfelle sub-stabil 'martensitt, lang tid i høytemperaturmiljøet og nedbrytning av + lagdelt struktur, og de fleste av de fine nålformede lekter og en liten del av fasen. Etter støping av TC4 titanlegering ved at bygningstemperaturen sakte ble avkjølt til romtemperatur, endret ikke legeringens mikrostruktur seg vesentlig, fortsatt sammensatt av + fase. EBM-støping TC4 titanlegering og smiing av TC4 titanlegering mikrostruktur som vist i figur 2.
Forskere i inn- og utland for EBM-støping TC4 titanlegeringsmikrostruktur har gjort mye forskning, funnet ut at støpeprosessparametrene, plasseringen av støpedeler, støpedelstørrelse og andre faktorer vil påvirke kjølehastigheten til legeringen i støpeprosessen , som igjen påvirker størrelsen på kornstørrelsen. Hrabe et al. fant at, i forhold til å sikre at energitilførselen kan gjøres for å gjøre TC4 titanlegeringspulveret fullstendig smeltet for å danne en tett del, øke e-strålen på passende måte. Skannehastigheten fører til at smeltebassengstørrelsen reduseres og kjølehastigheten å øke, noe som resulterer i utfelling av finere -lameller og -faser.Murr et al. og Wang et al. fant at mikrostrukturene til EBM-formede TC4 titanlegeringer var forskjellige på forskjellige steder. Som vist i figur 3 er posisjonen til lavere avsetningshøyde, på grunn av nærmere støpesubstratet og dermed har en høyere avkjølingshastighet, en ustabil vekstsone, lett å utfelle finnållignende fase; jo høyere avsetningshøyden på posisjonen til lekten er tykkere, desto større korn; avsetning av en viss høyde er lekten i en stabil vekstsone, samt at kornstørrelsen har en tendens til å stabiliseres. Wang et al. undersøkte også effekten av størrelsen på støpte deler på mikrostrukturen til EBM-formet TC4 titanlegering, og fant at i lag-for-lag smelte- og størkningsprosessen var kjølehastigheten til de mindre prøvene større, og utfelt derfor finere -fase. Galarraga et al. undersøkte videre og fant at endringen av mikrostruktur av EBM-formet TC4 titanlegering var relatert til oppholdstiden i bygningskammeret, og at oppholdstiden var for lang, noe som ville resultere i avsetning av lavere høyde og høyere mikrostruktur i bunnen av avsetningshøyden. høyden er lavere, er mikrostrukturen grovere resultater.
2.2 Defekter i EBM-støping av TC4 titanlegering
På grunn av feil valg av prosessparametere eller prosessinterferens, kan EBM-støping av TC4 titanlegeringsdeler produsere en rekke defekter. Zhai et al. funnet at det er to typiske defekter i mikrostrukturen til EBM-støping av TC4 titanlegering: den ene er porøsiteten forårsaket av argongass fanget i det defekte pulveret; den andre er porøsiteten på grunn av dårlig smelting av legeringspulveret.
Gong et al. klassifiserte TC4 titanlegeringsdefektene i to hovedkategorier i henhold til nivået på energitettheten til elektronstrålen. Når energitettheten er for lav, er det ikke nok å koble smeltebassenget fullstendig med smeltebassenget og lagene med lagene, og danner uregelmessige smeltefeil ledsaget av en viss porøsitet. Når energitettheten er for høy, noe som resulterer i en rask økning i lokal varme, smelter pulveret under påvirkning av overflatespenningsballong (pulverets lave varmeledningsevne), og dermed dannelsen av porene. kahnert et al. funnet at energitilførselen er for høy, vil ikke bare overflatekvaliteten til de støpte delene bli dårligere, og i alvorlige tilfeller vil det føre til at målmaskinen til pulverlakkeringssystemet slutter å fungere, noe som gjør det nødvendig å avbryte selve produksjonsprosessen. I tillegg, når elektronstrålestrømmen overstiger en viss terskel, vil legeringspulveret blåses bort, og etterlate uregelmessige porer i laget, som i alvorlige tilfeller vil få hele pulverlaget til å kollapse, som vist i figur 5; Forvarming av pulversjiktet for å forbedre dens vedheft og overvinne kraften fra elektronstrålen på legeringspulveret kan unngå forekomsten av pulverkollaps. Defekter vil ha en negativ innvirkning på de mekaniske egenskapene til C4 titanlegering, og EBM-prosessparametrene må optimaliseres, for eksempel å kontrollere skannehastigheten, justere skannelinjeavstanden og optimalisere elektronstrålestrømmen for å redusere generering av defekter.
3. Mekaniske egenskaper av EBM støpt TC4 titanlegering
3.1 Strekkegenskaper til EBM støpt TC4 titanlegering
Bruno et al. studerte strekkegenskapene til EBM-formede og smidde TC4 titanlegeringer, på grunn av det faktum at EBM-formede TC4 titanlegeringer er utsatt for porefeil under støpeprosessen og deres mikrostrukturfordeling er ikke homogen, noe som resulterer i den høyeste strekkstyrken og flytegrenser på henholdsvis 996 MPa og 919 MPa, som er litt lavere enn for de smidde TC4 titanlegeringene (strekk- og flytegrensen på 1034 MPa og 991 MPa:); Wang et al. flytegrense på henholdsvis 1034 MPa, 991 MPa:); Wang et al. studerte også strekkegenskapene til EBM-støping av TC4 titanlegering, og fant at strekkstyrken var 1002 MPa, flytegrensen var 932 MPa, og forlengelsen var 14,4 %, som alle var høyere enn for TC4 titanlegeringssmiene etter gløding og aldringsbehandling .
Betydelig anisotropi eksisterer i de mekaniske egenskapene til EBM-støpt TC4 titanlegering. Bruno et al. og Hrabe et al. fant at strekkstyrken til EBM-støpte prøver i horisontal retning er sterkere enn i vertikal retning, og forlengelsen av støpte prøver i horisontal retning er mindre enn i vertikal retning. Dette skyldes B-korninhomogeniteten i legeringen: den støpte prøven vokser hovedsakelig i vertikal retning; dannelsen av mindre primære korn i horisontal retning reduserer spenningsoppbyggingen ved korngrensene, noe som forsinker sprekkinitiering og resulterer i en litt større forlengelse.
Hrabe et al. fant at en økning i elektronstrålens skanningshastighet (som er negativt korrelert med energitettheten) resulterte i en liten reduksjon i tykkelsen på lamellene (1,16 μm → 0.95un), som igjen økte strekkstyrken styrke, flytegrense og mikrohardhet med henholdsvis 2 %, 3 % og 2 %.
Formanoir et al. EBM støping TC4 titanlegering ble holdt ved 950 grader i 60 minutter og 1040 grader i 30 minutter, begge ved bruk av vannkjøling og luftkjøling to kjølemetoder, legeringens strekkfasthet og flytestyrke ble litt redusert, forlengelsen fikk ikke en betydelig økning, som indikerer at kun kontroll av nøkkelparametrene til EBM-støpingen er en effektiv metode for å forbedre legeringens ytelse.
3.2 Tretthetsegenskaper til EBM-støpt TC4 titanlegering
Chan et al. testet utmattingstiden (antall sykluser) til EBM-formet TC4 titanlegering og valset TC4 titanlegering under vekslende bøyespenning på 600 MPa (±10%). Resultatene viser at utmattelseslevetiden til EBM-formet TC4 titanlegering bare er 17 % av utmattelseslevetiden til valset legering; bruddet til EBM-formet TC4 titanlegering er fordelt med forskjellige former av porer på grunn av dårlig smeltede områder og overflateruheten er mye høyere enn for valset TC4 titanlegering, som er en viktig årsak til dens lave utmattelseslevetid.
Tammas-Williams et al. funnet at varm isostatisk trykkbehandling effektivt kan eliminere de fleste porene i EBM-formet TC4 titanlegering, men hvis det finnes noen tunnelhull i prøvene og er koblet til overflaten, vil høytrykksargongassen under HIP-behandling trenge inn i tunnelering av hull, som får disse tunneldefektene til å utvide seg litt, noe som resulterer i svikt i HIP-behandlingen; tilsetning av belegg til prøvene før HIP kan fjerne tunneleringsdefektene. Shui et al. fant at etter HIP-behandlingen av EBM-formet TC4 titanlegering, selv om lamellen blir tykkere, reduseres dislokasjonstettheten, og strekkstyrken så vel som flytegrensen reduseres fra 870MPa og 788MPa til henholdsvis 819MPa og 711MPa, HIP-behandlingen gjør at organisasjonen blir mer homogen, og legeringens relative tetthet stiger fra 99,3 % til 99,8 %, noe som reduserer sprekkspirekilden, som igjen øker utmattingsstyrken fra 460 boa til 580 MPa.
4. Konklusjon
Oppsummert viser resultatene av innenlandsk og utenlandsk forskning på EBM som danner TC4 titanlegering at: EBM danner TC4 titanlegering makroskopisk organisasjon for vekst av søyleformede krystaller langs bygningsretningen, mikrostruktur for + lagdelt struktur, jo raskere kjølehastighet, lettere er det å få en finere mikrostruktur. Optimalisering av prosessparametere gjør at EBM har den beste energitettheten, som effektivt kan unngå generering av et stort antall defekter. Den påfølgende HOP-behandlingen er også i stand til å fjerne porer og homogenisere mikrostrukturen, noe som forbedrer utmattelsesegenskapene betydelig, selv om det fører til kornforgrovning, lavere dislokasjonstetthet og en liten reduksjon i legeringsstyrke. Optimalisering av parametrene til EBM-støpeprosessen, supplert med passende oppfølgingsbehandling, kan oppnås med konvensjonell støping og smiing av TC4 titanlegeringer med sammenlignbar ytelse.EBM sparer råmaterialer, rask, effektiv, lett å forme komplekse former av arbeidsstykket støping, og vil gradvis erstatte dagens subtraktive produksjonsmetoder som brukes innen romfart, kjemiske og medisinske felt.
