Титановый сплав TC4 широко используется в аэрокосмической, химической, биомедицинской и других важных областях благодаря своей коррозионной стойкости, высокой удельной прочности, хорошей ударной вязкости и превосходной биосовместимости. Однако обработка титанового сплава TC4 традиционным способом имеет недостатки, связанные с низким использованием материала, высокой стоимостью производства и сложной деформацией, что серьезно ограничивает популяризацию и применение титанового сплава TC4, а появление технологии 3D-печати улучшит эту ситуацию. .
3D-печать, научное название которой — аддитивное производство, возникла в 1990-х годах в технологии быстрого прототипирования. В отличие от субтрактивного производства, он использует принцип дискретности/наложения, использование компьютерных технологий для обработки частей твердотельной 3D-модели, разрезанных на серию тонких срезов определенной толщины, оборудование для 3D-печати для обработки анализа данных и обработки непрерывных данных. обработка каждого тонкого ломтика и укладка с последующим формированием плотных цельных частей. Технология 3D-печати подходит для обработки деталей любой формы и имеет высокий коэффициент использования материала, низкую стоимость. Технология 3D-печати подходит для обработки деталей любой формы и имеет преимущества, заключающиеся в высоком использовании материала, низкой стоимости, высокая гибкость и высокая интеграция, особенно подходит для литья титанового сплава TC4. Технология 3D-печати в основном включает в себя технологию селективного лазерного плавления и формования (селективное лазерное плавление (SLM), технологию лазерного формирования сетки (лазерное формирование сетки (LENS)) и технологию электронно-лучевого плавления и формования (электронно-лучевое плавление (EBM)), которая самая передовая технология в отрасли. Электронно-лучевая плавка (EBM). Среди них формование EBM имеет много преимуществ по сравнению с двумя другими технологиями формования: (1) формование EBM использует электронный луч в качестве источника энергии, что не отражается на производственном процессе , высокое использование энергии; (2) формование EBM осуществляется в вакуумной среде, что позволяет эффективно избежать загрязнения другими элементами в воздухе; (3) формование EBM более эффективно, чем другие технологии формования, из-за высоких затрат энергии. и высокая скорость сканирования; (4) формование EBM более эффективно, чем другие технологии формования, из-за высокого энергопотребления и высокой скорости сканирования; (5) формование EBM более эффективно, чем другие технологии формования. (4) Формованные детали EBM имеют меньше остаточных напряжений и не требуют последующей термообработки, что позволяет экономить энергию.
Эта статья начинается с принципа технологии EBM, обобщает соответствующие результаты исследований в стране и за рубежом, описывает микроструктуру, дефекты и механические свойства деталей из титанового сплава TC4, отформованных с помощью EBM при различных параметрах процесса, и, наконец, рассматривает перспективы ее применения.
1.Принцип и основные параметры EBM.
Прежде всего, программное обеспечение Magicsl9.0 разрезает и наслаивает 3D-модель детали в соответствии с определенной толщиной, чтобы получить общую двухмерную информацию о детали. Затем система EBM равномерно распределяет порошок сплава на подложку в соответствии с определенной толщиной, сканирует и плавит порошок сплава на подложке с помощью электронного луча, образованного током, проходящим через вольфрамовую нить в качестве источника тепла под действием катушка фокусировки и катушка электромагнитного отклонения. При каждом сканировании слоя плавления электронным лучом таблица будет опускаться на высоту слоя, а затем повторно укладывать порошок, электронный луч повторяет процесс сканирования плавления, и каждый обработанный слой уплотняется друг другом в единое целое. Весь производственный процесс осуществляется в вакууме, что позволяет эффективно избежать возможности окисления титанового сплава во время обработки. После изготовления система EBM извлекает деталь из камеры сборки и помещает ее в систему восстановления порошка (PRS), которая использует воздух под высоким давлением для удаления порошка, прилипшего к поверхности детали, в результате чего получается формованная деталь с гладкой поверхностью. .
Основными параметрами технологии EBM являются ток электронного луча, ускоряющее напряжение, скорость сканирования, толщина слоя, расстояние между линиями сканирования, компенсация фокуса и т. д. Регулируя эти параметры, например, увеличивая ток электронного луча, можно получить различные плотности энергии. или уменьшив скорость сканирования, можно получить более высокие плотности энергии. Размер плотности энергии сильно влияет на микроструктуру, дефекты и механические свойства отформованных деталей, а соответствующая плотность энергии позволит сплаву иметь лучшие механические свойства. Благодаря уникальному процессу формования технологии EBM, микроструктура и механические свойства формованных деталей из титанового сплава TC4, отлитых EBM, отличаются от свойств формованных деталей из титанового сплава TC4, изготовленных традиционным способом (например, кованых).
2. EBM, образующий микроструктуру и дефекты титанового сплава TC4.
2.1 EBM, образующая микроструктуру титанового сплава TC4, и влияющие на нее факторы
Изменение температуры ЭЛП, образующего титановый сплав ТС4, в процессе формовки влияет на его микроструктуру. Прежде всего, порошок плавится под действием электронного луча, и температура жидкого сплава достигает около 1700 градусов, что намного выше температуры фазового перехода титанового сплава TC4 (995 градусов), в это время жидкость сплав состоит из исходных зерен; а затем, когда электронный луч удален, жидкий сплав быстро охлаждается до температуры сборки (обычно 650-700 градусов), чтобы оставаться стабильным, и переходит в твердое состояние, в это время сплав подвергается → + , и выпадение игольчатой фазы. Преципитация игольчатой фазы и столбчатой фазы. А1-Бермани и др. полагают, что на этом этапе скорости охлаждения, превышающей 410 градусов / с, будет выделяться субстабильный мартенсит, долгое время находящийся в высокотемпературной среде и разложение + слоистой структуры, а также большая часть тонких игольчатых реек и небольшой часть фазы. После формования титанового сплава TC4 при медленном охлаждении до комнатной температуры микроструктура сплава существенно не изменилась, все еще состоящая из +-фазы. EBM формование титанового сплава TC4 и ковка микроструктуры титанового сплава TC4, как показано на рисунке 2.
Ученые в стране и за рубежом, занимающиеся формованием EBM. Микроструктура титанового сплава TC4 провела множество исследований и обнаружила, что параметры процесса формования, расположение формовочных деталей, размер формовочных деталей и другие факторы влияют на скорость охлаждения сплава в процессе формования. , что, в свою очередь, влияет на размер его зерна. Храбе и др. обнаружили, что в условиях обеспечения того, чтобы можно было затратить энергию для полного расплавления порошка титанового сплава TC4 с образованием плотной детали, необходимо соответствующим образом увеличить мощность электронного луча. Скорость сканирования приводит к уменьшению размера ванны расплава и скорости охлаждения. увеличиваться, что приводит к выделению более мелких -планок и -фаз. Murr et al. и Ван и др. обнаружили, что микроструктуры титановых сплавов TC4, полученных методом EBM, различаются в разных местах. Как показано на рисунке 3, положение с меньшей высотой осаждения из-за близости к формовочной подложке и, следовательно, более высокой скорости охлаждения, представляет собой нестабильную зону роста, в которой легко выделяется мелкая игольчатая фаза; чем выше высота напыления, тем толще положение рейки, тем крупнее зерна; При осаждении определенной высоты рейка находится в зоне стабильного роста, а размер зерна имеет тенденцию к стабилизации. Ван и др. также исследовали влияние размера отформованных деталей на микроструктуру титанового сплава TC4, полученного методом EBM, и обнаружили, что в процессе послойного плавления и затвердевания скорость охлаждения меньших образцов была больше, и, следовательно, выделялись более мелкие частицы. -фаза. Галаррага и др. провели дальнейшее исследование и обнаружили, что изменение микроструктуры титанового сплава TC4, полученного методом EBM, было связано со временем его пребывания в строительной камере, и что время пребывания было слишком длительным, что привело бы к осаждению меньшей высоты и более высокой микроструктуры в нижняя часть высоты внесения. Чем ниже высота, тем грубее микроструктура.
2.2 Дефекты при формовании ЭЛП титанового сплава ТС4
Из-за неправильного выбора параметров процесса или вмешательства в процесс формование EBM деталей из титанового сплава TC4 может привести к появлению различных дефектов. Чжай и др. обнаружили два типичных дефекта в микроструктуре формованного EBM титанового сплава TC4: один - пористость, вызванная газообразным аргоном, захваченным в дефектном порошке; другой — пористость из-за плохого плавления порошка сплава.
Гонг и др. классифицировали дефекты титанового сплава ТС4 на две основные категории в зависимости от уровня плотности энергии входного электронного пучка. При слишком низкой плотности энергии недостаточно полностью соединить ванну расплава с ванной расплава и слои со слоями, образуя неравномерные дефекты плавления, сопровождающиеся определенной пористостью. Когда плотность энергии слишком высока, это приводит к быстрому повышению локального тепла, плавлению порошка под действием раздувания поверхностного натяжения (низкая теплопроводность порошка) и, следовательно, к образованию пор. Канерт и др. обнаружили, что потребляемая энергия слишком высока, не только качество поверхности формованных деталей будет хуже, а в серьезных случаях это приведет к тому, что нацеливающий станок системы порошкового покрытия перестанет работать, что приведет к необходимости прервать процесс. сам процесс изготовления. Кроме того, когда ток электронного луча превышает определенный порог, порошок сплава сдувается, оставляя в слое поры неправильной формы, что в тяжелых случаях приводит к разрушению всего слоя порошка, как показано на рисунке 5; предварительный нагрев слоя порошка для улучшения его адгезии и преодоления тяги электронного луча на порошок сплава позволяет избежать разрушения порошка. Дефекты будут иметь негативное влияние на механические свойства титанового сплава C4, поэтому необходимо оптимизировать параметры процесса EBM, такие как контроль скорости сканирования, регулировка расстояния между строками сканирования и оптимизация тока электронного луча для уменьшения образования дефектов.
3. Механические свойства формованного EBM титанового сплава TC4.
3.1 Свойства растяжения формованного EBM титанового сплава TC4
Бруно и др. изучили свойства растяжения титановых сплавов TC4, полученных EBM и ковкой, в связи с тем, что титановые сплавы TC4, полученные EBM, склонны к образованию поровых дефектов в процессе формования, а распределение их микроструктуры не является однородным, что приводит к самым высоким пределам прочности и прочности. пределы текучести 996 МПа и 919 МПа соответственно, что несколько ниже, чем у ковочно-формованных титановых сплавов ТС4 (пределы прочности и текучести 1034 МПа и 991 МПа:); Ван и др. предел текучести 1034МПа, 991МПа соответственно:); Ван и др. также изучили свойства растяжения EBM, формованного из титанового сплава TC4, и обнаружили, что его прочность на разрыв составляла 1002 МПа, предел текучести - 932 МПа, а удлинение - 14,4%, все из которых были выше, чем у поковок из титанового сплава TC4 после отжига и старения. .
В механических свойствах титанового сплава TC4, полученного методом EBM, существует значительная анизотропия. Bruno et al. и Храбе и др. обнаружили, что прочность на разрыв формованных образцов ЭБМ в горизонтальном направлении выше, чем в вертикальном направлении, а удлинение формованных образцов в горизонтальном направлении меньше, чем в вертикальном. Это связано с неоднородностью зерна В внутри сплава: отформованный образец растет преимущественно в вертикальном направлении; образование более мелких первичных зерен в горизонтальном направлении уменьшает накопление напряжений на границах зерен, что задерживает возникновение трещин и приводит к несколько большему удлинению.
Храбе и др. обнаружили, что увеличение скорости сканирования электронного луча (которая отрицательно коррелирует с плотностью энергии) приводит к небольшому уменьшению толщины планок (1,16 мкм → 0,95un), что, в свою очередь, увеличивает предел прочности на растяжение. прочность, предел текучести и микротвердость на 2%, 3% и 2% соответственно.
Формануар и др. EBM формование титанового сплава TC4 выдерживалось при температуре 950 градусов в течение 60 минут и 1040 градусов в течение 30 минут, используя как водяное, так и воздушное охлаждение, два метода охлаждения, предел прочности сплава и предел текучести немного снизились, удлинение не получило значительного увеличения, что указывает на то, что только контроль основных параметров формования ЭЛП является эффективным методом улучшения характеристик сплава.
3.2 Усталостные свойства формованного EBM титанового сплава TC4
Чан и др. испытали усталостную долговечность (количество циклов) титанового сплава ТС4, полученного методом ЭЛП, и прокатанного титанового сплава ТС4 при переменном изгибающем напряжении 600 МПа (±10%). Результаты показывают, что усталостная долговечность титанового сплава TC4, полученного методом EBM, составляет всего 17% усталостной долговечности прокатанного сплава; Излом титанового сплава ТС4, полученного методом ЭЛП, распределен с порами разной формы из-за плохо проплавленных участков, а шероховатость его поверхности намного выше, чем у прокатанного титанового сплава ТС4, что является важной причиной его низкой усталостной долговечности.
Таммас-Вильямс и др. обнаружили, что обработка горячим изостатическим давлением может эффективно устранить большую часть пор в титановом сплаве TC4, полученном методом EBM, но если в образцах существуют туннельные отверстия, которые соединены с поверхностью, газообразный аргон под высоким давлением при обработке HIP проникнет в туннельные отверстия, вызывающие незначительное расширение этих туннельных дефектов, что приводит к неудаче обработки HIP; добавление покрытий к образцам перед ГИП может устранить туннельные дефекты. Шуй и др. обнаружили, что после обработки HIP титанового сплава TC4, полученного методом EBM, хотя планка становится толще, плотность дислокаций уменьшается, а предел прочности, а также предел текучести уменьшаются с 870 МПа и 788 МПа до 819 МПа и 711 МПа соответственно, обработка HIP делает организацию более однородной, а относительная плотность сплава повышается с 99,3% до 99,8%, что уменьшает источник роста трещин, что, в свою очередь, увеличивает усталостную прочность с 460 Боа до 580 МПа.
4. Вывод
Таким образом, результаты отечественных и зарубежных исследований по ЭБМ, образующему титановый сплав ТС4, показывают, что: ЭЛП, образующий титановый сплав ТС4, макроскопическая организация для роста столбчатых кристаллов в направлении построения, микроструктура для + слоистой структуры, тем быстрее скорость охлаждения, проще получить более мелкую микроструктуру. Оптимизация параметров процесса позволяет EBM иметь лучшую плотность энергии, что позволяет эффективно избежать образования большого количества дефектов. Последующая ГОП-обработка также способна удалить поры и гомогенизировать микроструктуру, что существенно улучшает усталостные свойства, хотя и приводит к укрупнению зерна, снижению плотности дислокаций и небольшому снижению прочности сплава. Оптимизацию параметров процесса формования EBM, дополненную соответствующей последующей обработкой, можно получить с помощью обычного литья и ковки титановых сплавов TC4 с сопоставимыми характеристиками. EBM экономит сырье, быстро, эффективно, легко формирует заготовки сложной формы. литье и постепенно заменит нынешние методы субтрактивного производства, используемые в аэрокосмической, химической и медицинской областях.
