La lega di titanio TC4 è ampiamente utilizzata nei settori aerospaziale, chimico, biomedico e in altri campi importanti grazie alla sua resistenza alla corrosione, elevata resistenza specifica, buona tenacità ed eccellente biocompatibilità. Tuttavia, la lavorazione della lega di titanio TC4 con il processo tradizionale presenta gli svantaggi di un basso utilizzo del materiale, elevati costi di produzione e difficile deformazione, che limitano seriamente la divulgazione e l'applicazione della lega di titanio TC4 e l'emergere della tecnologia di stampa 3D migliorerà questa situazione .
La stampa 3D, il cui nome scientifico è produzione additiva, ha avuto origine nella tecnologia di prototipazione rapida degli anni ’90. Distinto dalla produzione sottrattiva, utilizza il principio discreto/impilamento, l'uso della tecnologia informatica per elaborare parti del modello solido 3D tagliato in una serie di fette sottili con un certo spessore, apparecchiature di stampa 3D per l'elaborazione dell'analisi dei dati e l'elaborazione di continui lavorazione di ogni fetta sottile e impilatura, seguita dalla formazione di parti solide dense. La tecnologia di stampa 3D è adatta per la lavorazione di parti di qualsiasi forma e presenta un alto tasso di utilizzo del materiale, a basso costo, la tecnologia di stampa 3D è adatta per la lavorazione di parti di qualsiasi forma e presenta i vantaggi di un elevato utilizzo del materiale, basso costo, elevata flessibilità ed elevata integrazione, particolarmente adatto per lo stampaggio della lega di titanio TC4. La tecnologia di stampa 3D comprende principalmente la tecnologia di fusione e stampaggio laser selettiva (lasermelting selettivo (SLM), la tecnologia di modellatura della rete ingegnerizzata con laser (laser engineered net shaping (LENS)) e la tecnologia di fusione e stampaggio del fascio di elettroni (fusione del fascio di elettroni (EBM)), che è la tecnologia più avanzata del settore. Fusione a fascio di elettroni (EBM). Tra questi, lo stampaggio EBM presenta molti vantaggi rispetto alle altre due tecnologie di stampaggio: (1) Lo stampaggio EBM utilizza il fascio di elettroni come fonte di energia, nessuna riflessione nel processo di produzione , elevato utilizzo di energia; (2) lo stampaggio EBM viene effettuato in un ambiente sottovuoto, che può efficacemente evitare la contaminazione di altri elementi presenti nell'aria; (3) lo stampaggio EBM è più efficiente rispetto alle altre tecnologie di stampaggio a causa dell'elevato apporto di energia e un'elevata velocità di scansione; (4) lo stampaggio EBM è più efficiente rispetto alle altre tecnologie di stampaggio grazie all'elevato input energetico e all'elevata velocità di scansione; (5) lo stampaggio EBM è più efficiente rispetto alle altre tecnologie di stampaggio. (4) Le parti stampate EBM hanno meno stress residuo e non richiedono un successivo trattamento termico, risparmiando energia.
Questo articolo parte dal principio della tecnologia EBM, riassume i risultati della ricerca rilevante in patria e all'estero, descrive la microstruttura, i difetti e le proprietà meccaniche delle parti in lega di titanio TC4 stampate da EBM con diversi parametri di processo e infine attende con ansia le sue prospettive applicative.
1.Principio e parametri principali dell'EBM
Innanzitutto, il software Magicsl9.0 taglia e stratifica il modello 3D della parte secondo un certo spessore, in modo da ottenere l'informazione bidimensionale complessiva della parte. Quindi, il sistema EBM distribuisce uniformemente la polvere di lega sul substrato secondo un certo spessore, quindi scansiona e fonde la polvere di lega sul substrato con il fascio di elettroni formato dalla corrente che passa attraverso il filamento di tungsteno come fonte di calore sotto l'azione di la bobina di messa a fuoco e la bobina di deflessione elettromagnetica. Ogni strato di fusione di scansione del fascio di elettroni, il tavolo lascerà cadere un'altezza di strato, quindi riposerà la polvere, il fascio di elettroni ripeterà il processo di fusione di scansione e ogni strato lavorato si condenserà l'un l'altro in un tutto. L'intero processo produttivo viene effettuato in ambiente sottovuoto, evitando così di fatto la possibilità di ossidazione della lega di titanio durante la lavorazione. Dopo la fabbricazione, il sistema EBM rimuove la parte dalla camera di costruzione e la colloca in un sistema di recupero della polvere (PRS), che utilizza aria ad alta pressione per rimuovere la polvere aderente alla superficie della parte, ottenendo una parte stampata con una superficie liscia .
I parametri principali della tecnologia EBM sono la corrente del fascio di elettroni, la tensione di accelerazione, la velocità di scansione, lo spessore dello strato, l'interlinea di scansione e la compensazione del punto focale, ecc. È possibile ottenere diverse densità di energia regolando questi parametri, ad esempio aumentando la corrente del fascio di elettroni oppure diminuendo la velocità di scansione si possono ottenere densità di energia più elevate. La dimensione della densità di energia influenza notevolmente la microstruttura, i difetti e le proprietà meccaniche delle parti stampate, e la densità di energia appropriata farà sì che la lega abbia proprietà meccaniche migliori. Grazie all'esclusivo processo di stampaggio della tecnologia EBM, la microstruttura e le proprietà meccaniche delle parti stampate in lega di titanio TC4 stampate EBM sono diverse da quelle delle parti stampate in lega di titanio TC4 prodotte convenzionalmente (ad esempio forgiate).
2.EBM che forma microstruttura e difetti della lega di titanio TC4
2.1 EBM che forma la microstruttura della lega di titanio TC4 e fattori che influenzano
Il cambiamento di temperatura dell'EBM che forma la lega di titanio TC4 nel processo di formatura influisce sulla sua microstruttura. Prima di tutto, la polvere si scioglie sotto l'azione del fascio di elettroni e la temperatura della lega liquida raggiunge circa 1700 gradi, che è molto più alta della temperatura di transizione di fase della lega di titanio TC4 (995 gradi), in questo momento il liquido la lega è costituita dai grani originali; e poi, con il fascio di elettroni lontano, la lega liquida viene rapidamente raffreddata alla temperatura di costruzione (generalmente 650-700 gradi) per rimanere stabile e diventa uno stato solido, in questo momento la lega subisce un → + e il precipitazione della fase aciculare. Precipitazione della fase aciculare e della fase colonnare. A1-Bermani et al. crediamo che in questa fase la velocità di raffreddamento superiore a 410 gradi / s, farà precipitare la martensite substabile, per lungo tempo nell'ambiente ad alta temperatura e la decomposizione di + struttura stratificata, e la maggior parte dei sottili listelli aciculari e un piccolo porzione della fase. Dopo lo stampaggio della lega di titanio TC4 mediante raffreddamento lento della temperatura fino a temperatura ambiente, la microstruttura della lega non è cambiata in modo significativo, essendo ancora composta da fase +. Stampaggio EBM della lega di titanio TC4 e stampaggio per forgiatura della microstruttura della lega di titanio TC4 come mostrato nella Figura 2.
Gli studiosi in patria e all'estero per lo stampaggio EBM della microstruttura della lega di titanio TC4 hanno svolto molte ricerche e hanno scoperto che i parametri del processo di stampaggio, la posizione delle parti di stampaggio, le dimensioni delle parti di stampaggio e altri fattori influenzeranno la velocità di raffreddamento della lega nel processo di stampaggio , che a sua volta influenza la dimensione della sua granulometria. Hrabe et al. ha scoperto che, nelle condizioni in cui è possibile garantire che l'energia immessa possa essere utilizzata per far sì che la polvere di lega di titanio TC4 sia completamente fusa per formare una parte densa, aumentare adeguatamente il fascio elettronico. La velocità di scansione fa diminuire la dimensione del bagno di fusione e la velocità di raffreddamento aumentare, con conseguente precipitazione di lamelle e fasi più fini. Murr et al. e Wang et al. hanno scoperto che le microstrutture delle leghe di titanio TC4 formate da EBM erano diverse in luoghi diversi. Come mostrato nella Figura 3, la posizione con un'altezza di deposizione inferiore, poiché è più vicina al substrato di stampaggio e quindi ha una velocità di raffreddamento più elevata, è una zona di crescita instabile, facile da precipitare la fase aghiforme fine; quanto maggiore è l'altezza di deposizione della posizione del listello più spesso, tanto più grossi saranno i grani; deposizione di una certa altezza, il listello si trova in una zona di crescita stabile, così come la granulometria tende a stabilizzarsi. Wang et al. hanno anche studiato l'effetto delle dimensioni delle parti stampate sulla microstruttura della lega di titanio TC4 formata da EBM e hanno scoperto che nel processo di fusione e solidificazione strato per strato, la velocità di raffreddamento dei campioni più piccoli era maggiore e quindi precipitavano più fini -fase.Galarraga et al. ulteriormente studiato e scoperto che il cambiamento della microstruttura della lega di titanio TC4 formata da EBM era correlato al suo tempo di residenza nella camera di costruzione e che il tempo di residenza era troppo lungo, il che avrebbe comportato la deposizione di un'altezza inferiore e di una microstruttura più elevata nella inferiore dell'altezza di deposito. l'altezza è inferiore, la microstruttura è più grossolana.
2.2 Difetti nello stampaggio EBM della lega di titanio TC4
A causa della selezione errata dei parametri di processo o dell'interferenza del processo, lo stampaggio EBM di parti in lega di titanio TC4 può produrre una serie di difetti. Zhai et al. hanno scoperto che ci sono due difetti tipici nella microstruttura dello stampaggio EBM della lega di titanio TC4: uno è la porosità causata dal gas argon intrappolato nella polvere difettosa; l'altro è la porosità dovuta alla scarsa fusione della polvere di lega.
Gong et al. hanno classificato i difetti della lega di titanio TC4 in due categorie principali in base al livello di densità di energia del fascio di elettroni in ingresso. Quando la densità di energia è troppo bassa, non è sufficiente collegare completamente il pool di fusione con il pool di fusione e gli strati con gli strati, formando difetti di fusione irregolari accompagnati da una certa porosità. Quando la densità di energia è troppo elevata, con conseguente rapido aumento del calore locale, la polvere si scioglie sotto l'azione della tensione superficiale e si gonfia (la bassa conduttività termica della polvere) e quindi si formano pori. Kahnert et al. riscontrato che l’apporto energetico è troppo elevato, non solo peggiorerà la qualità superficiale dei pezzi stampati ma, in casi gravi, porterà anche al blocco del funzionamento della macchina di puntamento dell’impianto di verniciatura a polvere, rendendo necessario l’interruzione del processo processo produttivo stesso. Inoltre, quando la corrente del fascio di elettroni supera una certa soglia, la polvere di lega verrà spazzata via, lasciando pori irregolari nello strato, che nei casi più gravi faranno collassare l'intero letto di polvere, come mostrato nella Figura 5; preriscaldare il letto di polvere per migliorarne l'adesione e superare la spinta del fascio di elettroni sulla polvere di lega può evitare il verificarsi del collasso della polvere. I difetti avranno un impatto negativo sulle proprietà meccaniche della lega di titanio C4 e i parametri del processo EBM devono essere ottimizzati, come il controllo della velocità di scansione, la regolazione della spaziatura delle linee di scansione e l'ottimizzazione della corrente del fascio di elettroni per ridurre la generazione di difetti.
3. Proprietà meccaniche della lega di titanio TC4 stampata EBM
3.1 Proprietà a trazione della lega di titanio TC4 stampata EBM
Bruno et al. hanno studiato le proprietà di trazione delle leghe di titanio TC4 formate da EBM e forgiate, poiché le leghe di titanio TC4 formate da EBM sono soggette a difetti dei pori durante il processo di stampaggio e la loro distribuzione della microstruttura non è omogenea, risultando nella massima resistenza e resistenze allo snervamento rispettivamente di 996 MPa e 919 MPa, che sono leggermente inferiori a quelle delle leghe di titanio TC4 formate per forgiatura (resistenza alla trazione e allo snervamento di 1034 MPa e 991 MPa:); Wang et al. carico di snervamento rispettivamente di 1034MPa, 991MPa:); Wang et al. ha anche studiato le proprietà di trazione della lega di titanio TC4 per stampaggio EBM e ha scoperto che la sua resistenza alla trazione era di 1002 MPa, la resistenza allo snervamento era di 932 MPa e l'allungamento era del 14,4%, tutti valori superiori a quelli dei pezzi forgiati in lega di titanio TC4 dopo il trattamento di ricottura e invecchiamento .
Esiste un'anisotropia significativa nelle proprietà meccaniche della lega di titanio TC4 stampata EBM. Bruno et al. e Hrabe et al. hanno scoperto che la resistenza alla trazione dei campioni stampati EBM nella direzione orizzontale è maggiore di quella nella direzione verticale, e l'allungamento dei campioni stampati nella direzione orizzontale è inferiore a quello nella direzione verticale. Ciò è dovuto alla disomogeneità del grano B all'interno della lega: il campione stampato cresce principalmente in direzione verticale; la formazione di grani primari più piccoli nella direzione orizzontale riduce l'accumulo di tensioni ai bordi dei grani, ritardando l'inizio della fessura e determinando un allungamento leggermente maggiore.
Hrabe et al. hanno scoperto che un aumento della velocità di scansione del fascio di elettroni (che è negativamente correlato alla densità di energia) ha comportato una leggera diminuzione dello spessore delle lamelle (1,16 μm → 0.95un), che a sua volta ha aumentato la resistenza alla trazione resistenza, limite di snervamento e microdurezza rispettivamente del 2%, 3% e 2%.
Formanoir et al. La lega di titanio TC4 per stampaggio EBM è stata mantenuta a 950 gradi per 60 minuti e a 1040 gradi per 30 minuti, entrambi utilizzando il raffreddamento ad acqua e il raffreddamento ad aria con due metodi di raffreddamento, la resistenza alla trazione e la resistenza allo snervamento della lega sono leggermente ridotte, l'allungamento non ha ottenuto un aumento significativo, indicando che solo il controllo dei parametri chiave dello stampaggio EBM è un metodo efficace per migliorare le prestazioni della lega.
3.2 Proprietà a fatica della lega di titanio TC4 stampata EBM
Chan et al. testato la durata a fatica (numero di cicli) della lega di titanio TC4 formata da EBM e della lega di titanio TC4 laminata sotto sollecitazione di flessione alternata di 600 MPa (±10%). I risultati mostrano che la durata a fatica della lega di titanio TC4 formata da EBM è solo il 17% della durata a fatica della lega laminata; la frattura della lega di titanio TC4 formata da EBM è distribuita con diverse forme di pori a causa di regioni scarsamente fuse e la sua rugosità superficiale è molto superiore a quella della lega di titanio TC4 laminata, il che è un motivo importante per la sua bassa resistenza alla fatica.
Tammas-Williams et al. ha scoperto che il trattamento a pressione isostatica a caldo può eliminare efficacemente la maggior parte dei pori nella lega di titanio TC4 formata da EBM, ma se esistono alcuni fori tunnel nei campioni e sono collegati alla superficie, il gas argon ad alta pressione durante il trattamento HIP penetrerà nel fori di tunneling, che causano una leggera espansione di questi difetti di tunneling, con conseguente fallimento del trattamento HIP; l'aggiunta di rivestimenti ai campioni prima dell'HIP può rimuovere i difetti di tunneling. Shui et al. ha scoperto che dopo il trattamento HIP della lega di titanio TC4 formata da EBM, sebbene la lamella diventi più spessa, la densità di dislocazione diminuisce e la resistenza alla trazione e la resistenza allo snervamento diminuiscono rispettivamente da 870 MPa e 788 MPa a 819 MPa e 711 MPa, il trattamento HIP rende l'organizzazione più omogenea e la densità relativa della lega aumenta dal 99,3% al 99,8%, il che diminuisce la fonte di formazione di crepe, che a sua volta aumenta la resistenza alla fatica da 460 boa a 580 MPa.
4. Conclusione
In sintesi, i risultati della ricerca nazionale ed estera sull'EBM che forma la lega di titanio TC4 mostrano che: l'EBM che forma la lega di titanio TC4 organizzazione macroscopica per la crescita di cristalli colonnari lungo la direzione di costruzione, microstruttura per + struttura a strati, maggiore è la velocità di raffreddamento, è più facile ottenere una microstruttura più fine. L'ottimizzazione dei parametri di processo fa sì che l'EBM abbia la migliore densità energetica, che può efficacemente evitare la generazione di un gran numero di difetti. Il successivo trattamento HOP è anche in grado di rimuovere i pori e omogeneizzare la microstruttura, il che migliora significativamente le proprietà di fatica sebbene comporti un ingrossamento del grano, una minore densità di dislocazioni e una leggera diminuzione della resistenza della lega. L'ottimizzazione dei parametri del processo di stampaggio EBM, integrata da un adeguato trattamento di follow-up, può essere ottenuta con la fusione e la forgiatura convenzionali di leghe di titanio TC4 con prestazioni comparabili. L'EBM consente di risparmiare materie prime, veloce, efficiente, facile da formare forme complesse del pezzo stampaggio e sostituiranno gradualmente gli attuali metodi di produzione sottrattiva utilizzati nei settori aerospaziale, chimico e medico.
