TC4 legura titana naširoko se koristi u zrakoplovstvu, kemiji, biomedicini i drugim važnim područjima zbog svoje otpornosti na koroziju, visoke specifične čvrstoće, dobre žilavosti i izvrsne biokompatibilnosti. Međutim, obrada TC4 legure titana prema tradicionalnom postupku ima nedostatke niske iskoristivosti materijala, visoke cijene proizvodnje i teške deformacije, što ozbiljno ograničava popularizaciju i primjenu TC4 legure titana, a pojava tehnologije 3D ispisa poboljšat će ovu situaciju .
3D ispis, čiji je znanstveni naziv aditivna proizvodnja, nastao je u tehnologiji brze izrade prototipova 1990-ih. Za razliku od suptraktivne proizvodnje, koristi princip diskretno/slaganje, korištenje računalne tehnologije za obradu dijelova 3D čvrstog modela izrezanog u niz tankih kriški određene debljine, opremu za 3D ispis za obradu analize podataka i obradu kontinuiranog obrada svake tanke kriške i slaganje, nakon čega slijedi formiranje gustih čvrstih dijelova. Tehnologija 3D ispisa je prikladna za obradu bilo kojeg oblika dijelova i ima visoku stopu iskorištenja materijala, niske cijene, 3D tehnologija ispisa je prikladna za obradu dijelova bilo kojeg oblika, a ima prednosti visoke iskorištenosti materijala, niske cijene, visoka fleksibilnost i visoka integracija, posebno pogodna za oblikovanje TC4 legure titana. Tehnologija 3D ispisa uglavnom uključuje tehnologiju selektivnog laserskog taljenja i kalupljenja (selective lasermelting (SLM), laserski projektiranu tehnologiju oblikovanja mreže (laser engineered net shaping (LENS)) i tehnologiju taljenja i kalupljenja elektronskim snopom (electron beam melting (EBM)), koja je najnaprednija tehnologija u industriji. taljenje elektronskim snopom (EBM). Među njima, EBM kalupljenje ima mnoge prednosti u usporedbi s druge dvije tehnologije kalupljenja: (1) EBM kalupljenje koristi elektronski snop kao izvor energije, nema refleksije u procesu proizvodnje , visoka iskorištenost energije; (2) EBM kalupljenje se provodi u vakuumskom okruženju, čime se može učinkovito izbjeći kontaminacija drugih elemenata u zraku; (3) EBM kalupljenje je učinkovitije od ostalih tehnologija kalupljenja zbog velikog unosa energije i velika brzina skeniranja; (4) EBM kalupljenje je učinkovitije od ostalih tehnologija kalupljenja zbog velikog unosa energije i velike brzine skeniranja; (5) EBM kalupljenje je učinkovitije od ostalih tehnologija kalupljenja. (4) EBM kalupni dijelovi imaju manje zaostalog naprezanja i ne zahtijevaju naknadnu toplinsku obradu, čime se štedi energija.
Ovaj rad polazi od načela EBM tehnologije, sažima relevantne rezultate istraživanja u zemlji i inozemstvu, opisuje mikrostrukturu, nedostatke i mehanička svojstva dijelova od legure titana TC4 oblikovanih EBM-om pod različitim procesnim parametrima, i na kraju se raduje izgledima njegove primjene.
1.Princip i glavni parametri EBM
Prije svega, softver Magicsl90 reže i slojevi 3D modela dijela prema određenoj debljini, kako bi se dobila cjelokupna dvodimenzionalna informacija o dijelu. Zatim, EBM sustav ravnomjerno raspoređuje prah legure na podlogu prema određenoj debljini, te skenira i topi prah legure na podlozi snopom elektrona formiranom strujom koja prolazi kroz volframovu nit kao izvor topline pod djelovanjem zavojnica za fokusiranje i zavojnica za elektromagnetski otklon. Svako skeniranje taljenja sloja elektronskog snopa, stol će ispustiti visinu sloja, a zatim ponovno položiti prah, elektronski snop ponoviti skeniranje procesa taljenja, a svaki obrađeni sloj međusobno se kondenzira u cjelinu. Cjelokupni proces proizvodnje odvija se u vakuumskom okruženju, čime se učinkovito izbjegava mogućnost oksidacije legure titana tijekom obrade. Nakon izrade, EBM sustav uklanja dio iz komore za izradu i stavlja ga u sustav za oporavak praha (PRS), koji koristi zrak pod visokim pritiskom za uklanjanje praha koji se zalijepio za površinu dijela, što rezultira oblikovanim dijelom s glatkom površinom. .
Glavni parametri EBM tehnologije su struja elektronskog snopa, ubrzavajući napon, brzina skeniranja, debljina sloja, razmak linija skeniranja i kompenzacija žarišne točke, itd. Različite gustoće energije mogu se dobiti podešavanjem ovih parametara, npr. povećanjem struje elektronskog snopa. ili smanjenjem brzine skeniranja mogu se dobiti veće gustoće energije. Veličina gustoće energije uvelike utječe na mikrostrukturu, nedostatke i mehanička svojstva lijevanih dijelova, a odgovarajuća gustoća energije omogućit će legurama bolja mehanička svojstva. Zbog jedinstvenog procesa lijevanja EBM tehnologije, mikrostruktura i mehanička svojstva EBM lijevanih TC4 lijevanih dijelova od titanijske legure razlikuju se od onih konvencionalno proizvedenih (npr. kovanih) TC4 lijevanih dijelova od titanijske legure.
2. EBM formira mikrostrukturu i defekte legure titana TC4
2.1 Mikrostruktura titanijske legure TC4 koja stvara EBM i faktori utjecaja
Promjena temperature EBM legure titana TC4 u procesu oblikovanja utječe na njezinu mikrostrukturu. Prije svega, prah se topi pod djelovanjem elektronske zrake, a temperatura tekuće legure doseže oko 1700 stupnjeva, što je mnogo više od temperature faznog prijelaza legure titana TC4 (995 stupnjeva), u ovom trenutku, tekućina legura se sastoji od izvornih zrna; a zatim, s odmakom elektronskog snopa, tekuća legura se brzo ohladi na temperaturu izgradnje (općenito 650-700 stupnjeva ) da ostane stabilna i postane čvrsto stanje, u to vrijeme legura prolazi kroz → + , i taloženje igličaste faze. Taloženje acikularne faze i stupne faze. A1-Bermani et al. Vjerujemo da će u ovoj fazi brzina hlađenja veća od 410 stupnjeva / s, precipitirati sub-stabilni 'martenzit, dugo vremena u okolini visoke temperature i raspadanje + slojevita struktura, i većina finih igličastih letvica i malih dio faze. Nakon kalupljenja legure titana TC4 primjenom temperature građenja koja se polako hladi na sobnu temperaturu, mikrostruktura legure nije se značajno promijenila, i dalje se sastoji od + faze. EBM kalupljenje TC4 legure titana i kovanje mikrostrukture legure titana TC4 kao što je prikazano na slici 2.
Znanstvenici u zemlji i inozemstvu za mikrostrukturu EBM kalupljenja TC4 legure titana proveli su mnogo istraživanja, otkrili su da će parametri procesa kalupljenja, položaj dijelova kalupa, veličina dijelova kalupa i drugi čimbenici utjecati na brzinu hlađenja legure u procesu kalupljenja. , što zauzvrat utječe na veličinu njegove veličine zrna. Hrabe i sur. otkrili su da, u uvjetima osiguravanja da se može unijeti energija kako bi se prah legure titana TC4 potpuno rastalio kako bi se formirao gusti dio, odgovarajuće povećati e-zraku. Brzina skeniranja uzrokuje smanjenje veličine bazena taline i brzinu hlađenja povećati, što rezultira taloženjem finijih -lamela i -faza.Murr et al. i Wang et al. otkrili su da su mikrostrukture titanovih legura TC4 oblikovanih EBM-om različite na različitim mjestima. Kao što je prikazano na slici 3, položaj niže visine taloženja, zbog bliže supstratu za kalupljenje i stoga ima veću brzinu hlađenja, nestabilna je zona rasta, lako se taloži fina igličasta faza; što je veća visina taloženja položaja letvica je deblja, to su zrna veća; taloženja određene visine, letvica je u stabilnoj zoni rasta, kao i veličina zrna nastoji se stabilizirati. Wang i sur. također je istražio učinak veličine oblikovanih dijelova na mikrostrukturu legure titana TC4 izrađene pomoću EBM-a i otkrio da je u procesu taljenja i skrućivanja sloj po sloj, brzina hlađenja manjih uzoraka bila veća, pa su stoga taloženi finiji -faza.Galarraga i sur. dalje istraživali i otkrili da je promjena mikrostrukture EBM-formirane legure titana TC4 povezana s vremenom zadržavanja u komori za izgradnju, te da je vrijeme zadržavanja bilo predugo, što bi rezultiralo taloženjem manje visine i veće mikrostrukture u dnu visine taloženja. visina je niža, mikrostruktura je grublja.
2.2 Greške u EBM kalupljenju legure titana TC4
Zbog nepravilnog odabira procesnih parametara ili smetnji u procesu, EBM kalupljenje dijelova od legure titana TC4 može proizvesti različite nedostatke. Zhai i sur. otkrili su da postoje dva tipična nedostatka u mikrostrukturi EBM kalupljenja legure titana TC4: jedan je poroznost uzrokovana plinom argonom zarobljenim u neispravnom prahu; drugi je poroznost zbog lošeg taljenja praha legure.
Gong i sur. klasificirao je defekte legure titana TC4 u dvije glavne kategorije prema razini gustoće energije ulazne elektronske zrake. Kada je gustoća energije preniska, nije dovoljno potpuno povezati bazen taline s bazenom taline i slojeve sa slojevima, stvarajući nepravilne defekte taljenja praćene određenom količinom poroznosti. Kada je gustoća energije previsoka, što rezultira brzim porastom lokalne topline, prah se topi pod djelovanjem balona površinske napetosti (niska toplinska vodljivost praha), a time i stvaranje pora. kahnert i sur. otkrili da je unos energije previsok, ne samo da će kvaliteta površine oblikovanih dijelova biti lošija, nego će u ozbiljnim slučajevima dovesti do toga da stroj za ciljanje sustava praškastog premaza prestane raditi, zbog čega je potrebno prekinuti sam proces proizvodnje. Osim toga, kada struja elektronskog snopa prijeđe određeni prag, prah legure će se otpuhati, ostavljajući nepravilne pore u sloju, što će u teškim slučajevima uzrokovati kolaps cijelog sloja praha, kao što je prikazano na slici 5; predgrijavanjem sloja praha kako bi se poboljšalo njegovo prianjanje i prevladao potisak zrake elektrona na prah legure može se izbjeći pojava kolapsa praha. Defekti će imati negativan utjecaj na mehanička svojstva legure titana C4, a parametri procesa EBM moraju se optimizirati, kao što je kontrola brzine skeniranja, podešavanje razmaka linija skeniranja i optimiziranje struje elektronskog snopa kako bi se smanjilo stvaranje nedostataka.
3. Mehanička svojstva EBM lijevane legure titana TC4
3.1 Vlačna svojstva EBM lijevane legure titana TC4
Bruno i sur. proučavao je vlačna svojstva TC4 titanovih legura oblikovanih EBM-om i kovanjem, zbog činjenice da su TC4 titanove legure EBM-om oblikovane sklone defektima pora tijekom procesa kalupljenja i njihova distribucija mikrostrukture nije homogena, što rezultira najvišom vlačnom i granice razvlačenja od 996 MPa, odnosno 919 MPa, koje su nešto niže od onih legura titana TC4 oblikovanih kovanjem (vlačne granice i granice razvlačenja od 1034 MPa i 991 MPa:); Wang i sur. granica razvlačenja od 1034MPa, odnosno 991MPa:); Wang i sur. također je proučavao vlačna svojstva EBM livene legure titana TC4 i otkrio da je njezina vlačna čvrstoća bila 1002 MPa, granica razvlačenja bila je 932 MPa, a istezanje 14,4%, a sva su bila viša od onih kod otkovaka legure titana TC4 nakon tretmana žarenjem i starenjem .
Postoji značajna anizotropija u mehaničkim svojstvima EBM lijevane legure titana TC4. Bruno et al. i Hrabe et al. otkrili da je vlačna čvrstoća EBM lijevanih uzoraka u vodoravnom smjeru veća od one u okomitom smjeru, a istezanje lijevanih uzoraka u vodoravnom smjeru je manje od onog u okomitom smjeru. To je zbog nehomogenosti zrna B unutar legure: oblikovani uzorak raste uglavnom u okomitom smjeru; stvaranje manjih primarnih zrna u vodoravnom smjeru smanjuje nakupljanje naprezanja na granicama zrna, što odgađa početak pukotine i rezultira malo većim istezanjem.
Hrabe i sur. otkrili da je povećanje brzine skeniranja elektronskom zrakom (koja je u negativnoj korelaciji s gustoćom energije) rezultiralo blagim smanjenjem debljine letvica (1,16 μm → 0.95un), što je zauzvrat povećalo vlačnu čvrstoću čvrstoća, granica razvlačenja i mikrotvrdoća za 2%, 3%, odnosno 2%.
Formanoir i sur. EBM kalupljenje TC4 legure titana držano je na 950 stupnjeva 60 minuta i 1040 stupnjeva 30 minuta, obje koristeći vodeno hlađenje i zračno hlađenje po dvije metode hlađenja, vlačna čvrstoća i granica razvlačenja legure neznatno su smanjeni, istezanje se nije značajno povećalo, što ukazuje da je samo kontrola ključnih parametara EBM kalupa učinkovita metoda poboljšanja svojstava legure.
3.2 Svojstva zamora EBM lijevane legure titana TC4
Chan i sur. testirali su vijek trajanja (broj ciklusa) EBM-formirane legure titana TC4 i valjane legure titana TC4 pod izmjeničnim naprezanjem na savijanje od 600 MPa (±10%). Rezultati pokazuju da je vijek trajanja od zamora legure titana TC4 izrađene od EBM-a samo 17% vijeka trajanja od zamora valjane legure; lom EBM formirane legure titana TC4 raspoređen je s različitim oblicima pora zbog slabo otopljenih područja, a njena površinska hrapavost mnogo je veća od hrapavosti valjane legure titana TC4, što je važan razlog za njenu nisku izdržljivost.
Tammas-Williams i sur. utvrđeno je da tretman toplim izostatskim tlakom može učinkovito eliminirati većinu pora u leguri titana TC4 izrađenoj EBM-om, ali ako u uzorcima postoje neke rupe za tuneliranje i povezane su s površinom, plin argona visokog tlaka pod HIP tretmanom prodrijet će u rupe za tuneliranje, uzrokujući lagano širenje tih defekata tuneliranja, što rezultira neuspjehom HIP tretmana; dodavanje premaza uzorcima prije HIP-a može ukloniti nedostatke tuneliranja. Shui i sur. otkrili da nakon HIP tretmana EBM-formirane legure titana TC4, iako letvica postaje deblja, gustoća dislokacija se smanjuje, a vlačna čvrstoća kao i granica razvlačenja se smanjuju s 870MPa i 788MPa na 819MPa odnosno 711MPa, HIP tretman čini organizaciju homogenijom, a relativna gustoća legure raste s 99,3% na 99,8%, što smanjuje izvor nicanja pukotina, što zauzvrat povećava čvrstoću na zamor s 460 boa na 580 MPa.
4. Zaključak
Ukratko, rezultati domaćih i inozemnih istraživanja o EBM oblikovanju legure titana TC4 pokazuju da: EBM formiranje legure titana TC4 makroskopska organizacija za rast stupčastih kristala duž smjera izgradnje, mikrostruktura za + slojevitu strukturu, što je brža brzina hlađenja, lakše je dobiti finiju mikrostrukturu. Optimizacija procesnih parametara čini da EBM ima najbolju gustoću energije, čime se može učinkovito izbjeći stvaranje velikog broja grešaka. Naknadna obrada HOP-om također može ukloniti pore i homogenizirati mikrostrukturu, što značajno poboljšava svojstva zamora, iako dovodi do zgrubljivanja zrna, manje gustoće dislokacija i blagog smanjenja čvrstoće legure. Optimiziranje parametara EBM procesa kalupljenja, dopunjeno odgovarajućom naknadnom obradom, može se postići konvencionalnim lijevanjem i kovanjem TC4 legura titana s usporedivim performansama. EBM štedi sirovine, brzo, učinkovito i jednostavno za oblikovanje složenih oblika obratka kalupljenje, te će postupno zamijeniti trenutne subtraktivne proizvodne metode koje se koriste u zrakoplovstvu, kemiji i medicini.
