Fortschritt der EBM-Formung der TC4-Titanlegierung

Zunächst wird das 3D-Modell des Teils mithilfe der Software Magicsl9.0 in Scheiben geschnitten und entsprechend einer bestimmten Dicke geschichtet, um die allgemeinen 2D-Informationen des Teils zu erhalten. Dann verteilt das EBM-System das Legierungspulver gleichmäßig bis zu einer bestimmten Dicke auf dem Substrat und verwendet den Elektronenstrahl, der durch den durch den Wolframdraht fließenden Strom gebildet wird, als Wärmequelle. Unter der Wirkung der Fokussierspule und der elektromagnetischen Ablenkspule wird das Legierungspulver auf dem Substrat verarbeitet. Scannen und schmelzen. Jedes Mal, wenn der Elektronenstrahl eine Schicht scannt und schmilzt, senkt sich die Werkbank um eine Schichthöhe und dann wird das Pulver erneut verteilt. Der Elektronenstrahl scannt und schmilzt den Prozess wiederholt und jede verarbeitete Schicht verdichtet sich zu einem Ganzen. Der gesamte Herstellungsprozess wird in einer Vakuumumgebung durchgeführt, wodurch die Möglichkeit einer Oxidation der Titanlegierung während der Verarbeitung effektiv vermieden wird. Nach Abschluss der Herstellung nimmt das EBM-System die Teile aus der Baukammer und legt sie in das Pulverrückgewinnungssystem. Beim PRS wird Hochdruckluft verwendet, um das an der Oberfläche der Teile haftende Pulver zu entfernen und schließlich Formteile mit einer glatten Oberfläche zu erhalten.

Die Hauptparameter der EBM-Technologie sind Elektronenstrahlstrom, Beschleunigungsspannung, Scangeschwindigkeit, Schichtdicke, Scanlinienabstand und Fokuskompensation. Durch Anpassen dieser Parameter können unterschiedliche Energiedichten erreicht werden, z. B. durch Erhöhen des Elektronenstrahlstroms oder Reduzieren der Scangeschwindigkeit. Es kann eine höhere Energiedichte erreicht werden. Die Höhe der Energiedichte beeinflusst stark die Mikrostruktur, Defekte und mechanischen Eigenschaften von Formteilen. Eine angemessene Energiedichte verleiht der Legierung bessere mechanische Eigenschaften. Aufgrund des einzigartigen Formprozesses der EBM-Technologie unterscheiden sich die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften von EBM-geformten TC4-Titanlegierungsformteilen von denen konventionell hergestellter (z. B. geschmiedeter) TC4-Titanlegierungsformteile.

2.1 Mikrostruktur und Einflussfaktoren der EBM-geformten TC4-Titanlegierung

Die Temperaturänderung der durch EBM geformten Titanlegierung TC4 während des Formungsprozesses beeinflusst ihre Mikrostruktur. Zuerst wird das Pulver durch die Einwirkung des Elektronenstrahls geschmolzen und die Temperatur der flüssigen Legierung erreicht etwa 1.700 Grad, was viel höher ist als die Phasenübergangstemperatur der Titanlegierung TC4 (995 Grad). Zu diesem Zeitpunkt besteht die flüssige Legierung aus ursprünglichen Körnern; dann kühlt sich die flüssige Legierung mit zunehmendem Abstand des Elektronenstrahls schnell auf die Konstruktionstemperatur (im Allgemeinen 650-700 Grad) ab, bleibt stabil und wird fest. Zu diesem Zeitpunkt macht die Legierung einen → + -Effekt durch und die nadelartige Phase und die säulenförmige Phase werden ausgeschieden. A1-Bermani et al. glauben, dass bei einer Abkühlungsrate von über 410 Grad/s in diesem Stadium metastabiler ‚Martensit‘ ausgeschieden wird, der sich nach längerer Einwirkung einer hohen Temperatur in eine geschichtete Struktur zersetzt, die größtenteils aus feinen nadelartigen Lamellen mit einem kleinen Phasenanteil besteht. Anschließend wird die geformte TC4-Titanlegierung langsam von der Konstruktionstemperatur auf Raumtemperatur abgekühlt. Die Mikrostruktur der Legierung ändert sich dabei nicht wesentlich und besteht immer noch aus +-Phasen. Die Mikrostruktur der durch EBM geformten TC4-Titanlegierung und der durch Schmieden geformten TC4-Titanlegierung ist in Abbildung 2 dargestellt.

In- und ausländische Wissenschaftler haben viel Forschung zur Mikrostruktur von EBM-geformten TC4-Titanlegierungen betrieben und festgestellt, dass Faktoren wie Formprozessparameter, die Position der Formteile und die Größe der Formteile die Abkühlrate der Legierung während des Formprozesses beeinflussen und damit ihre Korngröße beeinflussen. Hrabe et al. fanden heraus, dass unter den Bedingungen, dass sichergestellt ist, dass die Energiezufuhr das TC4-Titanlegierungspulver vollständig schmelzen kann, um dichte Teile zu bilden, eine entsprechende Erhöhung der Elektronenstrahl-Scangeschwindigkeit dazu führt, dass die Größe des Schmelzbads abnimmt, die Abkühlrate zunimmt und somit feinere Partikel abgeschieden werden. Latte und Betaphase. Murr et al. und Wang et al. fanden heraus, dass die Mikrostruktur der EBM-geformten TC4-Titanlegierung an verschiedenen Stellen unterschiedlich ist. Wie in Abbildung 3 gezeigt, hat die Position mit einer niedrigeren Ablagerungshöhe eine höhere Abkühlrate, da sie näher am Formsubstrat liegt. Es ist eine instabile Wachstumszone und neigt dazu, eine feine nadelartige Phase abzuscheiden; die Position mit einer höheren Ablagerungshöhe hat eine höhere Abkühlrate. Je dicker die Latte, desto größer die Körner; nach der Ablagerung bis zu einer bestimmten Höhe befindet sie sich in einer stabilen Wachstumszone und die Größe der Latte und Körner bleibt tendenziell stabil. Wang et al. untersuchten auch die Auswirkung der Größe des Formteils auf die Mikrostruktur der EBM-geformten TC4-Titanlegierung und fanden heraus, dass während des schichtweisen Schmelz- und Erstarrungsprozesses kleinere Proben eine höhere Abkühlrate aufwiesen und somit feinere Phasen ausfielen. Galarraga et al. untersuchten weiter und fanden heraus, dass die Veränderungen in der Mikrostruktur der EBM-geformten TC4-Titanlegierung mit der Verweilzeit in der Baukammer zusammenhängen. Wenn die Verweilzeit zu lang ist, führt dies dazu, dass die Ablagerungshöhe am Boden der Ablagerungshöhe geringer und die Mikrostruktur gröber ist. Ergebnis ​

2.2 Defekte der EBM-geformten TC4-Titanlegierung

Aufgrund falscher Auswahl der Prozessparameter oder Prozessstörungen können bei EBM-geformten TC4-Titanlegierungsteilen verschiedene Defekte auftreten. Zhai et al. fanden heraus, dass es in der Mikrostruktur von EBM-geformten TC4-Titanlegierungen zwei typische Defekte gibt: Einer ist die Pore, die durch das im fehlerhaften Pulver eingeschlossene Argongas verursacht wird; der andere ist die Pore, die durch schlechtes Schmelzen des Legierungspulvers verursacht wird.

Gong et al. haben Defekte in TC4-Titanlegierungen anhand der Energiedichte des zugeführten Elektronenstrahls in zwei Hauptkategorien eingeteilt. Wenn die Energiedichte zu niedrig ist, reicht sie nicht aus, um die Schmelzbäder und die Schichten vollständig miteinander zu verbinden, wodurch unregelmäßige Schmelzdefekte entstehen, die von einer bestimmten Anzahl von Poren begleitet werden. Wenn die Energiedichte zu hoch ist, steigt die lokale Wärme schnell an. Wenn das Pulver schmilzt, wird es unter der Einwirkung der Oberflächenspannung zu Kugeln (die Wärmeleitfähigkeit des Pulvers ist niedrig), wodurch Poren entstehen. Kahnert et al. haben festgestellt, dass sich bei zu hoher Energiezufuhr nicht nur die Oberflächenqualität der Formteile verschlechtert, sondern in schweren Fällen auch die Zielmaschine des Pulverbeschichtungssystems nicht mehr funktioniert, sodass der Herstellungsprozess selbst gestoppt werden muss. Wenn der Elektronenstrahlstrom einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, wird außerdem das Legierungspulver weggeblasen, wodurch unregelmäßige Poren in der Schicht zurückbleiben. In schweren Fällen kollabiert das gesamte Pulverbett, wie in Abbildung 5 dargestellt; Vorbereitung des Pulverbetts Wärme wird verwendet, um die Haftung zu verbessern, den Schub des Elektronenstrahls auf das Legierungspulver zu überwinden und ein Zusammenfallen des Pulvers zu vermeiden. Defekte wirken sich nachteilig auf die mechanischen Eigenschaften der C4-Titanlegierung aus. Die EBM-Prozessparameter müssen optimiert werden, z. B. durch Steuerung der Scangeschwindigkeit, Anpassung des Scanlinienabstands und Optimierung des Elektronenstrahlstroms, um das Auftreten von Defekten zu verringern.

3.1 Zugfestigkeitseigenschaften der EBM-geformten TC4-Titanlegierung

Bruno et al. untersuchten die Zugfestigkeitseigenschaften von TC4-Titanlegierungen, die durch EBM-Formung und Schmieden hergestellt wurden. Da EBM-geformte TC4-Titanlegierungen während des Formungsprozesses anfällig für Porendefekte sind und ihre Mikrostruktur ungleichmäßig verteilt ist, was zu ihrer Zugfestigkeit führt. Die höchsten Streckgrenzen betragen 996 MPa bzw. 919 MPa, was etwas niedriger ist als die Festigkeit von geschmiedeten TC4-Titanlegierungen (Zugfestigkeit und Streckgrenze betragen 1034 MPa bzw. 991 MPa); Wang et al. untersuchten auch die Zugfestigkeitseigenschaften von EBM-geformten TC4-Titanlegierungen. Es wurde festgestellt, dass ihre Zugfestigkeit 1002 MPa, die Streckgrenze 932 MPa und die Dehnung 14,4 % beträgt. Alle Leistungsindikatoren sind höher als die von TC4-Titanlegierungsschmiedeteilen nach Glüh- und Alterungsbehandlung.

Die mechanischen Eigenschaften der EBM-geformten TC4-Titanlegierung weisen eine signifikante Anisotropie auf. Bruno et al. und Hrabe et al. fanden heraus, dass die Zugfestigkeit von EBM-geformten Proben in horizontaler Richtung größer war als in vertikaler Richtung, während die Dehnung in horizontaler Richtung der geformten Proben kleiner war als die Dehnung in vertikaler Richtung. Dies wird durch die ungleichmäßigen B-Körner innerhalb der Legierung verursacht: Die geformte Probe wächst hauptsächlich in vertikaler Richtung; die Bildung kleinerer Primärkörner in horizontaler Richtung verringert die Spannungsansammlung an den Korngrenzen, wodurch die Entstehung von Rissen verzögert und die Dehnung etwas erhöht wird.

Hrabe et al. haben festgestellt, dass eine Erhöhung der Elektronenstrahl-Scangeschwindigkeit (die negativ zur Energiedichte steht) die Dicke der Platte leicht reduziert (1,16 μm → 0,95 un), wodurch die Zugfestigkeit, Streckgrenze und Mikrohärte um jeweils 2 %, 3 % und 2 % erhöht werden.

Formanoir et al. hielten die EBM-geformte TC4-Titanlegierung 60 Minuten lang bei 950 Grad bzw. 30 Minuten lang bei 1040 Grad und verwendeten dabei zwei Kühlmethoden: Wasserkühlung und Luftkühlung. Die Zugfestigkeit und Streckgrenze der Legierung wurden leicht reduziert und die Dehnung wurde nicht signifikant verbessert. Dies zeigt, dass allein die Kontrolle der Schlüsselparameter der EBM-Formung ein wirksamer Weg ist, um die Eigenschaften der Legierung zu verbessern.

3.2 Ermüdungseigenschaften der EBM-geformten TC4-Titanlegierung

Chan et al. testeten die Ermüdungslebensdauer (Anzahl der Zyklen) von EBM-geformter TC4-Titanlegierung und gewalzter TC4-Titanlegierung unter Einwirkung einer alternierenden Biegespannung von 600 MPa (±10 %). Die Ergebnisse zeigen, dass die Ermüdungslebensdauer der EBM-geformten TC4-Titanlegierung nur 17 % der Ermüdungslebensdauer der gewalzten Legierung beträgt; der Bruch der EBM-geformten TC4-Titanlegierung ist aufgrund schlechter Schmelzbereiche mit Poren unterschiedlicher Form verteilt, und ihre Oberflächenrauheit ist ebenfalls weit entfernt. Höher als bei gewalzter TC4-Titanlegierung, was ein wichtiger Grund für ihre geringe Ermüdungslebensdauer ist.

Tammas-Williams et al. haben herausgefunden, dass die meisten Poren in der EBM-geformten TC4-Titanlegierung durch heißisostatisches Pressen effektiv beseitigt werden können. Wenn die Probe jedoch einige Tunnellöcher aufweist und mit der Oberfläche verbunden ist, dringt das unter hohem Druck stehende Argongas während der HIP-Behandlung in die Tunnel ein. In den Poren weiten sich diese Tunneldefekte leicht aus, wodurch die HIP-Behandlung fehlschlägt. Das Auftragen einer Beschichtung auf die Probe vor der HIP-Behandlung kann die Tunneldefekte beseitigen. Shui et al. haben herausgefunden, dass nach der HIP-Behandlung der EBM-geformten TC4-Titanlegierung zwar die Latten dicker wurden, die Versetzungsdichte abnahm und die Zugfestigkeit und Streckgrenze von 870 MPa bzw. 788 MPa auf 819 MPa bzw. 711 MPa sanken, die HIP-Behandlung jedoch die Struktur gleichmäßiger machte, die relative Dichte der Legierung von 99,3 % auf 99,8 % stieg, wodurch die Rissbildungsquellen reduziert wurden und die Dauerfestigkeit von 460boa auf 580 MPa stieg.