Титановата сплав TC4 се използва широко в космическата, химическата, биомедицинската и други важни области поради своята устойчивост на корозия, висока специфична якост, добра якост и отлична биосъвместимост. Обработката на титанова сплав TC4 по традиционния процес обаче има недостатъците на ниско използване на материала, висока производствена цена и трудна деформация, което сериозно ограничава популяризирането и приложението на титанова сплав TC4, а появата на технологията за 3D печат ще подобри тази ситуация .
3D печатът, чието научно наименование е адитивно производство, произхожда от технологията за бързо създаване на прототипи през 90-те години. Различно от субтрактивното производство, то използва принципа на дискретно/подреждане, използването на компютърна технология за обработка на части от 3D солиден модел, нарязани на поредица от тънки резени с определена дебелина, оборудване за 3D печат за обработка на анализ на данни и обработка на непрекъснати обработка на всеки тънък резен и подреждане, последвано от оформяне на плътни твърди части. 3D технологията за печат е подходяща за обработка на всяка форма на частите и има висока степен на използване на материала, ниска цена, 3D технологията за печат е подходяща за обработка на части с всякаква форма и има предимствата на високо използване на материала, ниска цена, висока гъвкавост и висока интеграция, особено подходящ за формоване на титаниева сплав TC4. Технологията за 3D печат включва главно технология за селективно лазерно топене и формоване (селективно лазерно топене (SLM), лазерно проектирана технология за оформяне на мрежа (лазерно проектирано нетно оформяне (LENS)) и технология за топене и формоване с електронен лъч (топене с електронен лъч (EBM)), което е най-напредналата технология в индустрията.Електронно лъчево топене (EBM).Сред тях, EBM формоването има много предимства в сравнение с другите две технологии за формоване: (1) EBM формоването използва електронен лъч като източник на енергия, без отражение в производствения процес , високо използване на енергия; (2) EBM формоването се извършва във вакуумна среда, която може ефективно да избегне замърсяването на други елементи във въздуха; (3) EBM формоването е по-ефективно от другите технологии за формоване поради високия енергиен внос и висока скорост на сканиране; (4) EBM формоването е по-ефективно от другите технологии за формоване поради високия енергиен внос и високата скорост на сканиране; (5) EBM формоването е по-ефективно от другите технологии за формоване. (4) EBM формовъчните части имат по-малко остатъчно напрежение и не изискват последваща топлинна обработка, спестявайки енергия.
Тази статия започва от принципа на технологията EBM, обобщава съответните резултати от изследвания в страната и чужбина, описва микроструктурата, дефектите и механичните свойства на частите от титанова сплав TC4, формовани от EBM при различни параметри на процеса, и накрая очаква с нетърпение перспективите за нейното приложение.
1.Принцип и основни параметри на EBM
Първо, софтуерът Magicsl9.0 нарязва и наслоява 3D модела на частта според определена дебелина, така че да получи цялостната двуизмерна информация за частта. След това системата EBM равномерно разпределя праха от сплавта върху субстрата според определена дебелина и сканира и разтопява праха от сплав върху субстрата с електронния лъч, образуван от тока, преминаващ през волфрамова нишка като източник на топлина под действието на фокусиращата намотка и електромагнитната отклоняваща намотка. Всеки сканиращ слой на топене на електронен лъч, масата ще намали височината на слоя и след това ще постави отново праха, електронният лъч ще повтори процеса на сканиране на топене и всеки обработен слой взаимно се кондензира в едно цяло. Целият производствен процес се извършва във вакуумна среда, като по този начин ефективно се избягва възможността от окисляване на титановата сплав по време на обработката. След производството системата EBM изважда детайла от камерата за изработка и го поставя в система за възстановяване на прах (PRS), която използва въздух под високо налягане, за да отстрани праха, полепнал по повърхността на детайла, което води до формована част с гладка повърхност .
Основните параметри на технологията EBM са ток на електронен лъч, ускоряващо напрежение, скорост на сканиране, дебелина на слоя, разстояние между линиите на сканиране и компенсация на фокусната точка и т.н. Чрез регулиране на тези параметри могат да се получат различни енергийни плътности, например чрез увеличаване на тока на електронния лъч или намаляване на скоростта на сканиране, могат да се получат по-високи енергийни плътности. Размерът на енергийната плътност значително влияе върху микроструктурата, дефектите и механичните свойства на формованите части, а подходящата енергийна плътност ще направи сплавта да има по-добри механични свойства. Благодарение на уникалния процес на формоване на EBM технологията, микроструктурата и механичните свойства на формованите EBM формовани части от титаниева сплав TC4 са различни от тези на конвенционално произведени (напр. ковани) формовани части от титаниева сплав TC4.
2.EBM образува микроструктура и дефекти на титанова сплав TC4
2.1 EBM, образуваща микроструктура на титаниева сплав TC4 и влияещи фактори
Промяната на температурата на титановата сплав TC4, образуваща EBM, в процеса на формоване влияе върху нейната микроструктура. Първо, прахът се топи под действието на електронния лъч и температурата на течната сплав достига около 1700 градуса, което е много по-високо от температурата на фазов преход на титанова сплав TC4 (995 градуса), по това време течността сплавта се състои от оригинални зърна; и след това, когато електронният лъч е далеч, течната сплав се охлажда бързо до температурата на изграждане (обикновено 650-700 градуса), за да остане стабилна, и става твърдо състояние, по това време сплавта претърпява → + и утаяване на ацикуларна фаза. Утаяване на игловидна фаза и колонна фаза. А1-Бермани и др. смятат, че на този етап от скоростта на охлаждане, по-голяма от 410 градуса / s, ще се утаи суб-стабилен мартензит, дълго време в околната среда с висока температура и разлагането на + слоеста структура и повечето от фините игловидни летви и малки част от фазата. След формоването на титанова сплав TC4 чрез бавно охлаждане на температурата до стайна температура, микроструктурата на сплавта не се промени значително, все още се състои от + фаза. EBM формоване на TC4 титанова сплав и коване на микроструктура на титанова сплав TC4, както е показано на фигура 2.
Учени в страната и чужбина за формоване на EBM микроструктура на титаниева сплав TC4 са направили много изследвания, установили, че параметрите на процеса на формоване, местоположението на частите за формоване, размерът на частта за формоване и други фактори ще повлияят на скоростта на охлаждане на сплавта в процеса на формоване , което от своя страна влияе върху размера на зърнометрията му. Храбе и др. установиха, че в условията на гарантиране, че вложената енергия може да бъде направена, за да направи праха от титанова сплав TC4 напълно разтопен, за да образува плътна част, подходящо увеличаване на електронния лъч. Скоростта на сканиране причинява намаляване на размера на стопилката и скоростта на охлаждане да се увеличи, което води до утаяване на по-фини -лампи и -фази.Murr et al. и Wang et al. установиха, че микроструктурите на EBM-формирани TC4 титанови сплави са различни на различни места. Както е показано на фигура 3, позицията на по-ниска височина на отлагане, поради по-близо до формовъчния субстрат и по този начин има по-висока скорост на охлаждане, е нестабилна зона на растеж, лесна за утаяване фина игловидна фаза; колкото по-висока е височината на отлагане на позицията на летвата е по-дебела, толкова по-големи са зърната; отлагане на определена височина, летвата е в стабилна зона на растеж, както и размерът на зърното има тенденция да се стабилизира. Wang и др. също изследва ефекта от размера на формованите части върху микроструктурата на EBM-формираната титанова сплав TC4 и установи, че в процеса на топене и втвърдяване слой по слой, скоростта на охлаждане на по-малките проби е по-голяма и следователно се утаяват по-фини -фаза.Galarraga et al. допълнително проучени и установени, че промяната на микроструктурата на EBM-формираната титанова сплав TC4 е свързана с нейното време на престой в строителната камера и че времето на престой е твърде дълго, което би довело до отлагане на по-ниска височина и по-висока микроструктура в дъното на височината на отлагане. височината е по-ниска, микроструктурата е по-груба.
2.2 Дефекти при EBM формоване на титаниева сплав TC4
Поради неправилен избор на параметри на процеса или намеса в процеса, EBM формоването на части от титанова сплав TC4 може да доведе до различни дефекти. Zhai и др. установено, че има два типични дефекта в микроструктурата на EBM формоване на титаниева сплав TC4: единият е порьозността, причинена от газ аргон, уловен в дефектния прах; другата е порьозността, дължаща се на лошото топене на праха от сплавта.
Гонг и др. класифицира дефектите на титановата сплав TC4 в две основни категории според нивото на плътността на енергията на входния електронен лъч. Когато енергийната плътност е твърде ниска, не е достатъчно да се свържат напълно басейна на стопилката с басейна на стопилката и слоевете със слоевете, образувайки неправилни дефекти на топене, придружени от известно количество порьозност. Когато енергийната плътност е твърде висока, което води до бързо нарастване на локалната топлина, прахът се топи под действието на балониране на повърхностното напрежение (ниската топлопроводимост на праха) и по този начин се образуват пори. kahnert и др. установи, че вложената енергия е твърде висока, не само качеството на повърхността на формованите части ще бъде по-лошо, а в сериозни случаи това ще доведе до спиране на работата на насочващата машина на системата за прахово покритие, което ще наложи прекъсване на самият производствен процес. Освен това, когато токът на електронния лъч надвиши определен праг, прахът от сплавта ще бъде издухан, оставяйки неправилни пори в слоя, което в тежки случаи ще доведе до срутване на цялото прахообразно легло, както е показано на Фигура 5; предварителното загряване на прахообразното легло за подобряване на неговата адхезия и преодоляване на тягата на електронния лъч върху прахообразната сплав може да избегне появата на колапс на праха. Дефектите ще имат отрицателно въздействие върху механичните свойства на титановата сплав C4 и параметрите на EBM процеса трябва да бъдат оптимизирани, като контролиране на скоростта на сканиране, регулиране на разстоянието между линиите на сканиране и оптимизиране на тока на електронния лъч, за да се намали генерирането на дефекти.
3. Механични свойства на EBM формована титанова сплав TC4
3.1 Свойства на опън на EBM формована титанова сплав TC4
Бруно и др. изследва свойствата на опън на EBM-формовани и формовани чрез коване TC4 титанови сплави, поради факта, че EBM-формованите TC4 титанови сплави са склонни към дефекти на порите по време на процеса на формоване и тяхното разпределение на микроструктурата не е хомогенно, което води до най-висока якост на опън и граници на провлачване съответно от 996 MPa и 919 MPa, които са малко по-ниски от тези на формованите чрез коване титанови сплави TC4 (граници на опън и провлачване от 1034 MPa и 991 MPa:); Wang и др. граница на провлачване съответно 1034MPa, 991MPa :); Wang и др. също изследва свойствата на опън на EBM формована титанова сплав TC4 и установи, че нейната якост на опън е 1002MPa, границата на провлачване е 932MPa, а удължението е 14,4%, всички от които са по-високи от тези на изковките от титаниева сплав TC4 след отгряване и обработка със стареене .
Съществува значителна анизотропия в механичните свойства на EBM формована титаниева сплав TC4. Bruno et al. и Hrabe et al. установи, че якостта на опън на EBM формовани проби в хоризонтална посока е по-силна от тази във вертикална посока, а удължението на формованите проби в хоризонтална посока е по-малко от това във вертикална посока. Това се дължи на нехомогенността на В зърната в сплавта: формованата проба расте главно във вертикална посока; образуването на по-малки първични зърна в хоризонтална посока намалява натрупването на напрежение по границите на зърната, което забавя започването на пукнатини и води до малко по-голямо удължение.
Храбе и др. установи, че увеличаването на скоростта на сканиране на електронния лъч (което е отрицателно свързано с енергийната плътност) води до леко намаляване на дебелината на ламелите (1,16 μm → 0.95un), което от своя страна увеличава якостта на опън якост, граница на провлачване и микротвърдост съответно с 2%, 3% и 2%.
Formanoir и др. EBM формованата титаниева сплав TC4 беше задържана при 950 градуса за 60 минути и 1040 градуса за 30 минути, като и двата използваха водно охлаждане и въздушно охлаждане, два метода на охлаждане, якостта на опън и границата на провлачване на сплавта бяха леко намалени, удължението не се увеличи значително, което показва, че само контролът на ключовите параметри на EBM формоването е ефективен метод за подобряване на характеристиките на сплавта.
3.2 Свойства на умора на EBM формована титанова сплав TC4
Чан и др. тества издръжливостта на умора (брой цикли) на EBM-формована титанова сплав TC4 и валцована титанова сплав TC4 при променливо напрежение на огъване от 600 MPa (±10%). Резултатите показват, че животът на умора на титанова сплав TC4, образувана от EBM, е само 17% от живота на умора на валцована сплав; фрактурата на титанова сплав TC4, образувана от EBM, е разпределена с различни форми на пори поради слабо разтопени участъци и нейната грапавост на повърхността е много по-висока от тази на валцована титанова сплав TC4, което е важна причина за нейния нисък живот на умора.
Tammas-Williams и др. установено, че горещото изостатично третиране под налягане може ефективно да елиминира повечето от порите в EBM-формираната титаниева сплав TC4, но ако някои тунелни дупки съществуват в пробите и са свързани с повърхността, газът аргон под високо налягане при HIP обработка ще проникне в дупки за тунелиране, което води до леко разширяване на тези дефекти за тунелиране, което води до неуспех на HIP лечението; добавянето на покрития към пробите преди HIP може да отстрани тунелните дефекти. Shui и др. установено, че след HIP обработката на EBM-формирана титаниева сплав TC4, въпреки че летвата става по-дебела, дислокационната плътност намалява и якостта на опън, както и границата на провлачване намалява от 870MPa и 788MPa до 819MPa и 711MPa, съответно, HIP обработката прави организацията да стане по-хомогенна и относителната плътност на сплавта се повишава от 99,3% на 99,8%, което намалява източника на поникване на пукнатини, което от своя страна увеличава якостта на умора от 460 boa на 580 MPa.
4. Заключение
В обобщение, резултатите от местни и чуждестранни изследвания върху EBM, образуващи TC4 титаниева сплав, показват, че: EBM, образуваща TC4 титанова сплав, макроскопична организация за растеж на колонни кристали по посока на изграждане, микроструктура за + слоеста структура, колкото по-бърза е скоростта на охлаждане, по-лесно е да се получи по-фина микроструктура. Оптимизирането на параметрите на процеса прави EBM най-добрата енергийна плътност, което може ефективно да избегне генерирането на голям брой дефекти. Последващото HOP третиране също е в състояние да отстрани порите и да хомогенизира микроструктурата, което значително подобрява свойствата на умора, въпреки че води до огрубяване на зърното, по-ниска плътност на дислокация и леко намаляване на якостта на сплавта. Оптимизирането на параметрите на процеса на формоване на EBM, допълнено от подходяща последваща обработка, може да се постигне с конвенционално леене и коване на титанови сплави TC4 със сравнима производителност. EBM спестява суровини, бързо, ефективно, лесно за формиране на сложни форми на детайла формоване и постепенно ще замени настоящите субтрактивни производствени методи, използвани в космическата, химическата и медицинската области.
