文摘

在这篇文章中,作者讨论了研究结果的处理Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe——附近β钛合金(ti - 55511)电子束融化(实证),一个加法制造技术。由于其高灵活性在塑造机械性能,ti - 55511合金通常被用于飞机部件,如起落架或机身。在这项研究中,使用ti - 55511粉及其属性描述了关于化学成分和粒度分布,以评估其是否适合循证医学处理和可重复性的结果。20套的工艺参数进行了测试在能源输入10 J /毫米之间³和50 J /毫米³马马(阴极电流,4.5 - 19.5;扫描速度,1080 mm / s - 23400 mm / s)。得到了四种类型的顶部表面,即平坦,橙皮,与单一的毛孔,和肿胀。最佳结果的能量30 J /毫米³:平面上表面和相对密度超过99.9%。化学成分分析表明,铝损失低于规范分析参数设置的最低。扫描速度最重要影响铝内容:扫描速度越低,越高铝损失。微观结构分析表明层状的依赖α步体积分数对所使用的工艺参数。低扫描速度的确定α步体积约占78%。高扫描速度导致的减少α步降低到61%。层数目的尺寸和数量α步强烈影响硬度的结果(360高压430高压)。

1。介绍

钛合金广泛应用于航空航天、化工、和医疗行业由于其相对强度高和耐蚀性。Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe合金(ti - 55511)是一个——附近β合金组成的α- - -β阶段。使用等,生产部分暴露于高机械负荷如起落架组件,组件的低压压气机叶片和燃料系统(1]。ti - 55511合金具有高强度(1100 - 1260 MPa)和高断裂韧性(66 - 77 MPa·m^0.5)。适用于长期操作温度高达350 - 400°C和短期操作温度750 - 800°C (2- - - - - -4]。ti - 55511的力学性能受到形态和数量的影响α步。因此,抗拉强度、韧性和疲劳性能的合金形变热处理(可以修改的5- - - - - -7]。这使得它可以产生各种类型的合金显微组织,即。、双峰、晶粒或维德曼司特顿类型(8,9]。

在传统的技术,各种各样的热机的操作进行实现所需的部分由ti - 55511合金的性质。部分通常由锻造是昂贵和费时的实现需要工具、模具等做好准备。通常需要几个月来创建一个死去。在离散或少量生产的情况下,工具占了很大比例的总成本产生的部分。因此,电子束融化(实证),一个加法制造技术,显示了巨大的应用潜力在离散或少量生产,因为它减少了一部分的主要时间和成本是捏造的。

在循证医学技术,聚焦电子束选择性地融化粉末床。一旦融化过程在一个层完成,构建平台降低和新的一层粉末沉积。逐层过程仍在继续,直到整个部分。融化和沉积之间的新粉层,电子束加热粉末表面的温度约为750 - 850°C。这是轻烧结粉和维护构建板的高温(10]。升高温度可以降低残余应力的产生部分。循证医学处理提供了细微观结构的部分相比,铸造或锻造11,12]。循证医学还允许生产近净形部分,这可能是一个优势ti - 55511处理的合金由于其加工困难1]。

本文中概述的研究的目的是确定主要参数的影响实证过程Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe合金的微观结构和性能。

2。材料和方法

一个循证医学Arcam A1机器配备了电子束理论功率为3.5千瓦的枪。由阴极电子发射由钨丝和加速了60千伏。电子发射的强度,因此所需的力量融化金属粉末是由电流控制提供阴极。 mm标本制作,50层的厚度μm和蛇(锯齿形)孵化战略线偏移量为100μm。每一层后,构建平台降低了名义层厚度,一个新的粉层应用,孵化方向旋转90°。标本直接装配式不锈钢基板板。电子束的光斑大小约为500μ米直径的焦点。在减压过程进行( ³mbar)控制通过注入氦(纯度99.999%),以确保适当的工作和稳定的电子束枪,也为了避免污染。粉末表面温度维持在750 - 850°C。

ti - 55511粉是利用大气等离子喷涂(APS)技术准备。稀疏的粉末粒子是球形卫星(小颗粒APS的典型技术)附加到他们。图1(一)显示表面的SEM图像ti - 55511粉末粒子在研究中使用。检查粒子的横截面并没有透露内部气孔,非金属夹杂物,或其他材料缺陷(图1)。

表1比较了由制造商指定的粉化学成分与指定的化学成分GOST 19807:1991。

生产高质量的部件通过循证医学要求使用粉末颗粒大小45至106μm。ti - 55511粉末颗粒的大小是决定使用激光衍射上浆技术与动态图像分析使用Q3方法(volume-base直径)。结果如图所示2。

如上所示,粉末的平均粒度为45 - 106μ米的范围是 。在实证过程中,理论应用粉层厚度是50μm。加热巩固谷物逐步相关材料。融化后一步,几乎没有孔隙的材料是固体。孔隙度的减少可以降低层厚度的熔化区,即,体积收缩,增加整体层厚度高达80μ米(14]。这意味着粉末粒度的45 - 106μm是适合应用50层的理论厚度μm。

Hausner比率(人力资源)和卡尔的压缩性指数被用来评估粉末的流动性。他们两个都决定按照EN ISO 3953 (ASTM D7481)。Hausner比率被定义为利用粉末的密度之比( )粉的体积密度( )(1)。卡尔的压缩性指数(2)。公式(1)和(2),分别计算如下:

材料Hausner比例不高于1.25和卡尔指数高于10适合用于粉bed-based添加剂技术(15]。5测试进行了ti - 55511合金和结果是平均的。Hausner比率(人力资源)ti - 55511合金是1.06,而卡尔的指数为5.67,这意味着合金落在第一流动性类的两个指标(优秀)16,17]。

体积密度确定符合EN ISO 3923 - 1:2010。这个值被定义为粉的质量除以体积。使用以下公式计算: 在哪里是一个尚未开发的粉末样品的质量在一个气缸[g],然后呢是一个尚未开发的粉末样品的体积缸(厘米吗³]。

测试是由经过50克测试材料的标准化和量筒。测量重复了五次,结果取平均值。ti - 55511合金的体积密度确定是( )克/厘米³。

计算的起始点所需要的能量融化粉两相的标准工艺参数α+β钛合金。所需的能量计算使用公式(4)是J·40毫米³。 在哪里是加速电压(V),是阴极电流(mA),是扫描速度(毫米/秒),间距(毫米),是层厚度(mm)。

最初的测量结果融化所需能源α+β钛合金粉末表明它低于理论能量,即。,25 - 30 J /毫米³。低价值源于Arcam循证医学使用自动功率控制算法。算法分析每一层和计算阴极电流和梁的速度融化粉层提供足够的能量。因此,热应力和蒸发的光从熔融物减少合金元素。

因为算法无法访问用户,平均实际值不会科学与本文中描述的工作相关,因此,在我们的研究中,这种功能被关闭。这允许完全控制的工艺参数。

下面的参数及其影响进行了分析研究:(我)能量输入10 J /毫米³-50 J /毫米³。公式(4)表明,相同的能量输入可以获得不同的参数集。阴极电流和扫描速度被用作变量参数的公式(2)马马阴极电流是4.5 - 19.5(3)扫描速度是1080 mm / s - 23400 mm / s。速度与给定的阴极电流,调整,集能源获得输入值按公式(4)(iv)中使用的常量参数研究如下:(一)加速电压60千伏(b)扫描线之间的距离是0.1毫米(c)层厚度为0.05毫米

总共有20个参数设置(表做好了准备2)。每组重复了四次。

标本被用来分析工艺参数的影响在上表面的质量,孔隙度、显微组织和硬度。

孔隙度测量在四架飞机,即。,three planes parallel and one plane perpendicular to the build direction. The proportion of pores within the area of a minimum of 12 mm²为400 x放大。平均价值来源于测量被用来评估参数对孔隙度的影响。

组织检查在一个平面平行的构建方向。制作的标本被削减,机械地,抛光,然后用乙醇洗净。然后他们被蚀刻Kroll试剂(HNO高频2%,5%₃,93%的H₂O)。标本的微观结构用扫描电子显微镜观察。硬度测量在平行于表面的构建方向维氏测试使用1 N负荷。

3所示。结果与讨论

3.1。顶部表面质量

观察标本的顶面表明,能量输入对其质量的影响最大。根据使用的能量输入和参数集,得到了四种不同的前表面(图3)。

第一种表面就像一个橙皮(图3(一个))。时形成的能量输入太低和观察、二、三、四号参数组(表2)。这种类型的表面形成的原因是高扫描速度导致融化跟踪失去连续性[18]。第二种类型的表面有一小孔可见主要在中央标本(图的一部分3 (b))。这种类型的表面观察到四分之三的设置参数,对能源20 J /毫米³(参数设置nos。5、6和7)。第三种类型的表面没有气孔或橙皮(图3 (c))是在质量上所需的一个(参数集9-14号和17号和18)。最后一种表面有明显肿胀(图3 (d))中心的标本(图4)。

这是标本的观察使用两个四组参数的能量输入40 J /毫米³(参数设置。15,没有。16)和能源输入50 J /毫米³(参数设置。19岁,没有。20)。图5显示之间的关系类型的上表面的标本和工艺参数。

肿胀的原因发生在EBM-fabricated部分并不完全理解。类似的现象观察焊缝(19- - - - - -22]。肿胀焊接熔池表面张力的影响有关。循证医学的,肿胀可能是由于液体物质的运动的23在标本由于过热(与曲折的扫描策略)和小尺寸的样品24]。提供给标本的高能使电子束运动不仅融化粉,另外热材料,已经融化了。梁的每个后续转变导致没有完全固化材料另外从试样边缘的中心。外的一部分标本包围粉发出更多的热量比中央部分,因此更少的材料比中部边缘上堆积。

3.2。孔隙度

孔隙度测量的结果表明,所制标本的孔隙体积分数在0.02% (50 J /毫米之间³,没有。20)和11.18% (10 J /毫米³,没有。4)。相应的相对密度分别为99.98%和88.81%,分别。图6显示了样本的相对密度之间的相关性和扫描速度和阴极电流。

的比较结果如图5和6表明,对于一些输入能量范围(J / 40毫米³和50 J /毫米³)和扫描速度、高密度超过99.90%,得到一个平坦的上表面。标本的橘皮表面相对密度很低(94.1%至88.81)。相对密度的标本与单一毛孔顶部表面从99.5%到99.90%不等。

20岁以上的能量J /毫米³和扫描速度低于5700毫米/秒,标本的密度超过99.5%(图7(一))。提供的能量高于40 J /毫米³和减少速度小于4680 mm / s密度超过99.99%(图生产7 (b))。

在标本的平坦的顶面,只观察到气体孔隙之间产生的气体的释放被困的粉末粒子,可能粉本身。10 J / mm的能量³,密度在94.1%和88.81之间。高孔隙度超过5.0%的能源供应的材料不足。根据扫描速度,多层绑定错误(图8(一个)),以及通道(比如疏传播通过层(图8 (b))。

在低扫描速度(5400 mm / s),融化跟踪失去连续性和熔池动态驱动主要由毛细管力和润湿造成熔体的表面张力(18,25]。扫描速度较低也导致熔化时间延长的一层,从而降低温度和能源供应的材料。更高的扫描速度(23400 mm / s),扫描动态温度降低到一定程度上,从而改变毛孔的性质从多层绑定故障通道的。

3.3。微观结构

ti - 55511合金有两个主要类型的微观结构,即层状或晶粒。低于beta-transus温度变形后晶粒微观结构形成在两阶段。这种微观结构由球状α步分散在β步矩阵(26,27]。典型的热处理(HT)β步和附近,β步合金溶液治疗和老龄化(STA) [28)、双老化(DA) (29日)和β退火后缓慢冷却和老化(BASCA) [31日]。在STA、热处理工艺参数,温度和时间依赖于初始状态和加工材料的微观结构。两种类型的HT通常用于伪造的部分:第一个是解决方案治疗750 - 860°C / 1 h,空气或水淬火和DA(第一次老化300°C / 2 h,第二次在495 - 667°C / 8小时),另一个是BASCA。他们两人在图所示9。

图10显示了引用ti - 55511合金。标本是由真空电弧重熔处理(VAR)铸造方法和热轧。图10 ()显示结构的方向与轧制方向有关。较高的放大图像(图10 (b))表明,显微组织由等轴颗粒。图10 (c)显示了BASCA热处理后的显微组织。标本由层状结构形成的热处理或变形时发生以上beta-transus温度额外的缓慢冷却。最后描述了显微组织由殖民地六角密积(hcp)α步薄片在大型(bcc)β步几百微米的颗粒直径(32]。

EBM-fabricated ti - 55511合金的微结构图像(数字11和12)显示微观结构类似于图所示10 (c)。比较典型的热处理β和附近的β钛合金循证医学和循证医学过程表明,在处理标本固化,冷却到600°C - 650°C,然后是举行这个温度约为2 - 10小时,这取决于时间的制造工艺33]。实证过程的最后阶段是整个平台的冷却(制作标本和烧结粉)。这些条件都适合的成核和增长α步的β步。循证医学的冷却速度和温度不同平台个人流程和主要取决于所使用的工艺参数和样本的体积。成核的α从β饥饿地区被认为只有0.1 h后出现在500°C (34]。

标本制作的微观结构在不同扫描速度如图11。标本以不同能量输入、扫描速度和阴极电流。图11显示了很强的组织获得的扫描速度的影响。高扫描速度导致数量的减少α步。1800毫米/秒的扫描速度,薄片状的数量α步大约是78%(通过计算像素/计量α步层数目)。随着扫描速度的增加,α步量减少61%(以7800毫米/秒)。层数目的尺寸和数量α步强烈影响硬度测量结果。最高的硬度( HV1)测量,标本制作的1800毫米/秒的扫描速度,以最小的层数目和数量的78%左右α步。高扫描速度降低硬度。扫描速度的标本制作的5800 mm / s相对较大的层数目和数量的65%左右α步的硬度最低 HV1。有趣的是,扫描速度的进一步提高不会降低硬度进一步( 高压的标本制作的速度扫描7800毫米/秒)。这最有可能是由于应用程序的一个非常高的阴极电流20 mA的标本。

微观结构的差异也观察到不同能源输入(图12)。然而,他们不是一样明显的不同扫描速度参数。所有标本都非常好 层状结构稍微的柱状晶界主要可见β步。这一阶段通过外延生长对应样品的形式构建方向(箭头所示)。标本制作与更高的能量输入的图像显示,随着能量的增加,分散层数目减少。最厚的层数目观察的标本制作的最高能量的输入,即。,50 J / mm³(图12 (d))。硬度的差异并不显著不同扫描速度(图11)。最低的硬度( HV1)获得能量输入的标本制作50 J /毫米³。最高的硬度( HV1)测定,样品用能量输入30 J /毫米制作的³。

图13显示了平均硬度测试结果的标本制作不同的扫描速度和不同的阴极电流的值。最高的硬度( HV1)获得,标本制作的1800毫米/秒的扫描速度和阴极电流4.5 mA。最低的硬度( HV1)测量,标本制作在5800 mm / s和阴极电流14.5 mA。

生殖技术的一个重要的特征是,一些元素粉末处理期间部分蒸发。在多大程度上个人合金元素粉末材料的蒸发的化学成分可能大幅修改标本制作的。因此,控制化学成分的分析产生的标本是由能量色散谱(EDS)。铝的分析表明,重要的蒸发过程中观察到的循证医学的过程。图13显示硬度测试结果和相应的铝内容分析的结果。类似的铝蒸发现象观察Lach et al。35]报告很明显Ti-47Al-2Cr-2Nb合金铝损失由选择性处理电子束融化(SEBM)。Lach et al。35)发现,最大的铝(15%)发生损失高能输入。分析结果呈现在图14表明,铝蒸发最最低的标本制作的扫描速度(3.7%的标本制作的1080毫米/秒)。

铝含量增加而提高扫描速度达到最大值(4.1 wt % Al) 5700毫米/秒的扫描速度。当速度进一步增加(7800 mm / s),铝含量下降到3.9 wt %。结果公布的布赖斯et al。36]表明,铝含量大幅下降也由循证医学Ti-6Al-4V合金处理样品。这是由于这样的事实:铝蒸汽压高于钛和钒,因此蒸发优先。结果如图14测试表明,在所有的标本,也存在明显的损失相比,铝的粉用铝含量为4.9 wt %(表1)。图15显示了铝含量对阴极电流的变化。

铝含量随阴极电流的增加到15马(铝损失减少),一旦超过这个值,它开始减少。这个参数影响铝损失,但不像扫描速度的。我们可以看到在图15、铝蒸发可能对相同的阴极电流相差很大。铝元素稳定α步在钛合金,这意味着它增加了α↔β转变温度。ti - 55511合金铝损失可能会因此诱导温度降水的减少α步,根据损失的大小。这表明,铝损失加上强烈的冷却速率的影响取决于工艺参数在高细度的结果α步层数目,从而增加硬度。

4所示。结论

测试结果表明,循证医学技术可以成功地应用于过程的一个Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe (ti - 55511)——附近β钛合金。测试表明,可以确定工艺参数窗口制作标本与相对密度超过99%,与平面自由表面没有气孔,橙皮,或变形。高质量的标本相对密度超过99.9%,平面得到的能量密度30 J /毫米³,不管对应的阴极电流和扫描速度设置。循证医学的ti - 55511合金的显微组织由片状的α步的主要分布在矩阵β步。的体积分数α循证医学规律及其色散取决于参数使用,即。、扫描速度和能量密度。碎片越高的相对数量α步,合金的硬度就越高。最大硬度( HV1)测量了ti - 55511合金数量的80%α步加工使用能源输入30 J /毫米³和扫描速度的1800毫米/秒。ti - 55511合金的化学变化由于蒸发铝是循证医学处理的负面影响。铝损失的数量主要取决于扫描速度:速度越低,越高的损失。这一重要现象必须考虑设计和制造过程中部分从包含铝钛合金。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作得到了波兰国家研究和发展中心在项目:INNOLOT /我/ 6 / NCBR / 2013 -土罐“加法制造流程和研究混合业务创新的飞机技术的发展。”