Tiến độ hình thành hợp kim titan TC4 của EBM

Đầu tiên, mô hình 3D của bộ phận được cắt và xếp lớp theo độ dày nhất định thông qua phần mềm Magicsl9.0 để có được thông tin 2D tổng thể của bộ phận. Sau đó, hệ thống EBM trải đều bột hợp kim đến một độ dày nhất định trên đế và sử dụng chùm tia điện tử được hình thành bởi dòng điện đi qua dây vonfram làm nguồn nhiệt. Dưới tác động của cuộn dây hội tụ và cuộn dây lệch điện từ, bột hợp kim trên đế được xử lý. Quét tan chảy. Mỗi lần chùm tia điện tử quét và làm tan chảy một lớp, bàn làm việc sẽ giảm chiều cao một lớp và sau đó bột sẽ được trải lại. Chùm tia điện tử quét và làm tan chảy quá trình nhiều lần, và mỗi lớp được xử lý sẽ ngưng tụ thành một tổng thể. Toàn bộ quá trình sản xuất được thực hiện trong môi trường chân không, tránh hiệu quả khả năng hợp kim titan bị oxy hóa trong quá trình xử lý. Sau khi quá trình sản xuất hoàn tất, hệ thống EBM lấy các bộ phận ra khỏi buồng in và đặt chúng vào hệ thống thu hồi bột. Không khí áp suất cao được sử dụng trong PRS để loại bỏ bột bám trên bề mặt của các bộ phận và cuối cùng thu được các bộ phận đúc có bề mặt nhẵn.

Các thông số chính của công nghệ EBM bao gồm dòng điện tử, điện áp gia tốc, tốc độ quét, độ dày lớp, khoảng cách dòng quét và bù tiêu cự. Bằng cách điều chỉnh các tham số này, có thể thu được mật độ năng lượng khác nhau, chẳng hạn như tăng dòng chùm tia điện tử hoặc giảm tốc độ quét. Mật độ năng lượng cao hơn có thể thu được. Lượng mật độ năng lượng ảnh hưởng lớn đến cấu trúc vi mô, khuyết tật và tính chất cơ học của các bộ phận đúc. Mật độ năng lượng phù hợp sẽ làm cho hợp kim có tính chất cơ học tốt hơn. Do quy trình tạo hình độc đáo của công nghệ EBM, cấu trúc vi mô và tính chất cơ học của các bộ phận được tạo hình bằng hợp kim titan TC4 được tạo thành từ EBM khác với các bộ phận được tạo thành bằng hợp kim titan TC4 được sản xuất thông thường (chẳng hạn như rèn).

2.1 Vi cấu trúc và các yếu tố ảnh hưởng của hợp kim titan TC4 hình thành EBM

Sự thay đổi nhiệt độ của hợp kim titan TC4 hình thành EBM trong quá trình tạo hình ảnh hưởng đến cấu trúc vi mô của nó. Đầu tiên, bột bị tan chảy dưới tác động của chùm tia điện tử và nhiệt độ hợp kim lỏng đạt khoảng 1700 độ, cao hơn nhiều so với nhiệt độ chuyển pha của hợp kim titan TC4 (995 độ). Tại thời điểm này, hợp kim lỏng bao gồm các hạt nguyên bản; sau đó, khi chùm tia điện tử di chuyển ra xa, hợp kim lỏng nhanh chóng nguội đi đến nhiệt độ xây dựng (thường là 650-700 độ ) để duy trì ổn định và trở nên rắn chắc. Tại thời điểm này, hợp kim trải qua → + , và pha hình kim và pha cột kết tủa. A1-Bermani và cộng sự. tin rằng khi tốc độ làm mát lớn hơn 410 độ / giây ở giai đoạn này, martensite 'siêu ổn định sẽ kết tủa, sẽ phân hủy thành cấu trúc + lớp sau khi tiếp xúc với môi trường nhiệt độ cao trong một thời gian dài và phần lớn sẽ bị phân hủy Những thanh mảnh hình kim, có một phần nhỏ pha. Sau đó, hợp kim titan TC4 hình thành được làm nguội từ từ từ nhiệt độ xây dựng đến nhiệt độ phòng, và cấu trúc vi mô của hợp kim không thay đổi đáng kể và vẫn bao gồm các pha +. Cấu trúc vi mô của hợp kim titan TC4 hình thành EBM và hợp kim titan TC4 rèn hình thành được thể hiện trong Hình 2.

Các học giả trong và ngoài nước đã thực hiện nhiều nghiên cứu về cấu trúc vi mô của hợp kim titan TC4 do EBM tạo thành và nhận thấy rằng các yếu tố như thông số quá trình đúc, vị trí của các bộ phận đúc và kích thước của các bộ phận đúc sẽ ảnh hưởng đến tốc độ làm mát của hợp kim trong quá trình đúc, do đó ảnh hưởng đến kích thước hạt của nó. Hrabe và cộng sự. nhận thấy rằng, trong điều kiện đảm bảo năng lượng đầu vào có thể làm tan chảy hoàn toàn bột hợp kim titan TC4 để tạo thành các bộ phận dày đặc, việc tăng tốc độ quét chùm tia điện tử một cách thích hợp sẽ khiến kích thước của bể nóng chảy giảm, tốc độ làm nguội tăng lên và do đó các hạt mịn hơn sẽ được kết tủa. giai đoạn lath và beta. Murr và cộng sự. và Wang và cộng sự. nhận thấy rằng cấu trúc vi mô của hợp kim titan TC4 hình thành EBM là khác nhau ở các vị trí khác nhau. Như được hiển thị trong Hình 3, vị trí có chiều cao lắng đọng thấp hơn có tốc độ làm mát cao hơn vì nó gần với bề mặt đúc hơn. Đây là vùng tăng trưởng không ổn định và dễ hình thành các pha dạng kim mịn; vị trí có chiều cao lắng đọng cao hơn có tốc độ làm mát cao hơn. Máy tiện càng dày thì hạt càng lớn; sau khi được lắng đọng đến một độ cao nhất định, nó nằm trong vùng tăng trưởng ổn định, kích thước của thanh và hạt có xu hướng ổn định. Vương và cộng sự. cũng nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước bộ phận đúc lên cấu trúc vi mô của hợp kim titan TC4 hình thành EBM và nhận thấy rằng trong quá trình nấu chảy và hóa rắn từng lớp, các mẫu nhỏ hơn có tốc độ làm mát lớn hơn, do đó kết tủa các pha mịn hơn. Galarraga và cộng sự. nghiên cứu sâu hơn và phát hiện ra rằng những thay đổi trong cấu trúc vi mô của hợp kim titan TC4 đúc EBM có liên quan đến thời gian lưu trú trong buồng chế tạo. Nếu thời gian lưu trú quá dài sẽ làm cho chiều cao lắng đọng ở đáy chiều cao lắng đọng thấp hơn và cấu trúc vi mô trở nên thô hơn. kết quả. ​

2.2 Các khuyết tật của hợp kim titan TC4 đúc EBM

Do lựa chọn không đúng các thông số quy trình hoặc can thiệp vào quy trình, các bộ phận hợp kim titan TC4 do EBM tạo thành có thể tạo ra nhiều khuyết tật khác nhau. Zhai và cộng sự. nhận thấy rằng có hai khiếm khuyết điển hình trong cấu trúc vi mô của hợp kim titan TC4 đúc EBM: một là lỗ rỗng do khí argon cuốn vào bột bị lỗi; cái còn lại là lỗ chân lông do bột hợp kim nóng chảy kém.

Công và cộng sự. phân loại khuyết tật hợp kim titan TC4 thành hai loại chính dựa trên mật độ năng lượng của chùm electron đầu vào. Khi mật độ năng lượng quá thấp, việc kết nối hoàn toàn các bể nóng chảy với các bể nóng chảy và giữa các lớp là không đủ, tạo thành các khuyết tật nóng chảy không đều kèm theo một lượng lỗ chân lông nhất định. Khi mật độ năng lượng quá cao, nhiệt cục bộ tăng nhanh. Khi bột tan chảy, nó sẽ hình cầu dưới tác dụng của sức căng bề mặt (bột có độ dẫn nhiệt thấp), từ đó hình thành các lỗ rỗng. Kahnert và cộng sự. nhận thấy rằng nếu năng lượng đầu vào quá cao, không chỉ chất lượng bề mặt của các bộ phận đúc sẽ giảm sút mà trong những trường hợp nghiêm trọng, máy mục tiêu của hệ thống sơn tĩnh điện sẽ ngừng hoạt động, do đó phải dừng quá trình sản xuất. Ngoài ra, khi dòng điện chùm tia điện tử vượt quá một ngưỡng nhất định, bột hợp kim sẽ bị thổi bay, để lại các lỗ rỗng không đều trên lớp. Trong trường hợp nghiêm trọng, toàn bộ lớp bột sẽ xẹp xuống như Hình 5; Chuẩn bị lớp bột Nhiệt được sử dụng để cải thiện độ bám dính của nó, khắc phục lực đẩy của chùm tia điện tử lên bột hợp kim và tránh sự sụp đổ của bột. Các khuyết tật sẽ có tác động xấu đến tính chất cơ học của hợp kim titan C4. Các thông số quy trình EBM phải được tối ưu hóa, chẳng hạn như kiểm soát tốc độ quét, điều chỉnh khoảng cách dòng quét và tối ưu hóa dòng tia điện tử để giảm khả năng xuất hiện lỗi.

3.1 Đặc tính chịu kéo của hợp kim titan TC4 hình thành EBM

Bruno và cộng sự. đã nghiên cứu đặc tính chịu kéo của hợp kim titan TC4 được hình thành bằng cách tạo hình và rèn EBM. Do hợp kim titan TC4 được tạo thành từ EBM dễ bị khuyết tật lỗ rỗng trong quá trình tạo hình và cấu trúc vi mô của nó phân bố không đồng đều, dẫn đến độ bền kéo của nó, nên cường độ năng suất cao nhất lần lượt là 996MPa và 919MPa, thấp hơn một chút so với cường độ của titan TC4 rèn hợp kim (độ bền kéo và cường độ năng suất lần lượt là 1034MPa và 991MPa); Vương và cộng sự. cũng nghiên cứu tính chất kéo của hợp kim titan TC4 hình thành EBM. Người ta nhận thấy rằng độ bền kéo của nó là 1002MPa, cường độ năng suất là 932MPa và độ giãn dài là 14,4%. Tất cả các chỉ số hiệu suất đều cao hơn so với vật rèn hợp kim titan TC4 sau khi ủ và xử lý lão hóa.

Có sự bất đẳng hướng đáng kể trong các tính chất cơ học của hợp kim titan TC4 hình thành EBM. Bruno và cộng sự. và Hrabe và cộng sự. nhận thấy rằng độ bền kéo của các mẫu đúc EBM theo hướng ngang mạnh hơn độ giãn dài theo hướng dọc, trong khi độ giãn dài theo hướng ngang của các mẫu đúc nhỏ hơn độ giãn dài theo hướng dọc. Điều này là do các hạt B không đồng đều bên trong hợp kim: mẫu đúc chủ yếu phát triển theo hướng thẳng đứng; sự hình thành các hạt sơ cấp nhỏ hơn theo hướng nằm ngang làm giảm sự tích tụ ứng suất tại các ranh giới hạt, do đó làm chậm quá trình hình thành các vết nứt và làm cho nó có độ giãn dài lớn hơn một chút.

Hrabe và cộng sự. nhận thấy rằng việc tăng tốc độ quét chùm tia điện tử (có liên quan tiêu cực đến mật độ năng lượng) sẽ làm giảm nhẹ độ dày của tấm (1,16μm → 0.95un), do đó làm tăng độ bền kéo, cường độ chảy và độ cứng vi mô lên 2% tương ứng. , 3% và 2%.

Formanoir và cộng sự. duy trì hợp kim titan TC4 do EBM tạo thành ở nhiệt độ 950 độ trong 60 phút và 1040 độ trong 30 phút, sử dụng hai phương pháp làm mát: làm mát bằng nước và làm mát bằng không khí. Độ bền kéo và cường độ năng suất của hợp kim giảm một chút và độ giãn dài không được cải thiện đáng kể. Nó cho thấy rằng chỉ kiểm soát các thông số chính của quá trình tạo hình EBM là cách hiệu quả để cải thiện các tính chất của hợp kim.

3.2 Đặc tính mỏi của hợp kim titan TC4 hình thành EBM

Chan và cộng sự. đã kiểm tra tuổi thọ mỏi (số chu kỳ) của hợp kim titan TC4 hình thành EBM và hợp kim titan TC4 cán dưới tác dụng của ứng suất uốn xen kẽ 600MPa (± 10%). Kết quả cho thấy tuổi thọ mỏi của hợp kim titan TC4 tạo thành EBM chỉ bằng 17% tuổi thọ mỏi của hợp kim cán; vết nứt của hợp kim titan TC4 hình thành EBM được phân bố với các lỗ có hình dạng khác nhau do vùng nóng chảy kém và độ nhám bề mặt của nó cũng rất xa. Cao hơn hợp kim titan TC4 cán, đây là lý do quan trọng giúp nó có tuổi thọ mỏi thấp.

Tammas-Williams và cộng sự. nhận thấy rằng phương pháp xử lý ép đẳng tĩnh nóng có thể loại bỏ hiệu quả hầu hết các lỗ chân lông trong hợp kim titan TC4 tạo thành EBM, nhưng nếu có một số lỗ đường hầm trong mẫu và được nối với bề mặt, khí argon áp suất cao trong quá trình xử lý HIP sẽ xâm nhập vào các đường hầm . Trong các lỗ chân lông, các khuyết tật đường hầm này giãn nở một chút, khiến việc xử lý HIP thất bại; thêm lớp phủ vào mẫu trước khi HIP có thể loại bỏ các khuyết tật đường hầm. Thủy và cộng sự. nhận thấy rằng sau khi xử lý HIP đối với hợp kim titan TC4 hình thành EBM, mặc dù các thanh tiện trở nên dày hơn, mật độ trật khớp giảm, độ bền kéo và cường độ năng suất giảm lần lượt từ 870MPa và 788MPa xuống 819MPa và 711MPa, việc xử lý HIP làm cho cấu trúc trở nên đồng nhất hơn, mật độ tương đối của hợp kim tăng từ 99,3% lên 99,8%, làm giảm nguồn gốc của vết nứt, từ đó tăng độ bền mỏi từ 460boa lên 580MPa.