Dwie trasy formowania stopu tytanu TC4
TC4 (Ti-6Al-4V) to standardowy alfa-beta stop tytanu do stosowania w konstrukcjach lotniczych, urządzeniach medycznych i komponentach przemysłowych o wysokich obciążeniach, ponieważ łączy w sobie wysoką wytrzymałość właściwą z doskonałą odpornością na korozję. Gotowe części są produkowane głównie dwoma metodami: konwencjonalnym kuciem, po którym następuje obróbka skrawaniem, oraz laserowym szybkim prototypowaniem, podczas którego proszek metalowy topi się warstwa po warstwie, a następnie osadza się obróbkę cieplną i wykańczanie. Droga formowania kontroluje morfologię ziaren, populację defektów i ostatecznie zarówno kwazistatyczną, jak i dynamiczną reakcję mechaniczną elementu.
W podsumowanym tutaj porównaniu cylindryczne próbki ściskane przygotowano z trzech stanów materiału o tym samym składzie nominalnym: kuty gatunek równoosiowy, kuty gatunek o splocie koszowym- i szybko formowany laserowo osad. Quasi-kompresję statyczną przeprowadzono na serwo-uniwersalnej maszynie testującej serwo-hydraulicznej, natomiast kompresję dynamiczną wykorzystano dzieloną listwę dociskową Hopkinsona. Geometria próbki, wykończenie powierzchni i smarowanie pozostały porównywalne, tak że mikrostruktura pozostała dominującą zmienną.
Mikrostruktura i wielkość ziaren w materiałach kutych i laserowych-formowanych TC4
Te trzy stany różnią się znacznie wielkością i kształtem jednostek strukturalnych. Kuty stan równoosiowy składa się z równoosiowych ziaren alfa o średniej wielkości ziaren około 10 do 20 mikrometrów, najgrubszych z trzech. Drugi stan kuty przedstawia strukturę splotu koszowego-o średniej szerokości listwy około 0,35 mikrometra. Szybko formowany laserowo osad ma postać drobnego igiełkowatego splotu-o średniej szerokości listwy wynoszącej około 0,2 mikrometra i jest najcieńszy z trzech, ale zawiera również pęknięcia i pory w strefach nakładania się warstw.
| Stan materialny | Mikrostruktura | Charakterystyczny rozmiar | Typowe wady |
|---|---|---|---|
| Kuty gatunek równoosiowy | Równoosiowe ziarna alfa-beta | Średnia wielkość ziaren około 10-20 µm | Niska gęstość defektów |
| Kuty kosz-o splocie | Kosz-splot z listew alfa | Średnia szerokość listwy około 0,35 µm | Niska gęstość defektów |
| Szybko formowany laserowo osad | Drobny splot koszyczka-iglastego | Średnia szerokość listwy około 0,2 µm | Pęknięcia i pory w strefach nakładania się |
Różnice w wielkości nie są kosmetyczne. Granice ziaren i powierzchnie styku listew działają jak bariery dla ruchu dyslokacyjnego, dlatego bardzo drobna struktura igiełkowa lokalnie podnosi naprężenia przepływu, podczas gdy defekty nakładania się warstw działają jak koncentratory naprężeń, które zmniejszają ciągliwość i rozpraszają mierzone właściwości.
Quasi-zachowanie przy kompresji statycznej
Pod wpływem quasi{0}}statycznego ściskania kuta struktura równoosiowa sprawdza się najlepiej: wykazuje najwyższą kombinację wytrzymałości i plastyczności wraz z wyraźnym efektem umocnienia odkształceniowego. Ziarna równoosiowe odkształcają się bardziej równomiernie i wytrzymują naprężenia w wielu systemach poślizgu, zanim nastąpi lokalizacja.
Kuta struktura splotu-koszykowego i szybko formowany laserowo osad osiągają porównywalny poziom wytrzymałości i plastyczności, ale ich umocnienie przez odkształcenie jest słabe. W tych konstrukcjach odkształcenie koncentruje się w wąskich pasmach, a gdy styki listew nie mogą już redystrybuować naprężeń, dodatkowe obciążenie powoduje niewielkie dodatkowe hartowanie.
Dynamiczne zachowanie podczas kompresji
Ranking zmienia się pod wpływem obciążenia dynamicznego. Kuta konstrukcja równoosiowa osiąga najwyższe naprężenia płynięcia i największe odkształcenia, co potwierdza, że jej mechanizmy odkształcenia pozostają skuteczne przy dużej prędkości odkształcania. Kuta struktura splotu koszykowego-i szybko formowany laserowo osad wykazują podobną plastyczność, ale dynamiczne naprężenie przepływu struktury splotu kutego koszyka-jest wyższe.
Depozyt laserowy jest najsłabszym wykonawcą dynamicznym. Szybkie topienie i szybkie chłodzenie nieodłącznie związane z tym procesem powodują silnie nie-jednorodną historię temperatur wewnątrz części, co powoduje naprężenia szczątkowe i niejednorodną strukturę. Opisane powyżej defekty nakładania dominują wówczas w odpowiedzi na dużą-prędkość, więc dynamiczne właściwości mechaniczne osadu laserowego spadają poniżej właściwości kutej struktury splotu koszykowego-.
Czułość na szybkość odkształcania
Wszystkie trzy stany są wrażliwe na szybkość odkształcenia, ale nie w tym samym stopniu. Kuta struktura splotu koszowego- wykazuje największą czułość na szybkość odkształcania, osad szybko formowany laserowo najsłabszy, a kuta struktura równoosiowa plasuje się pomiędzy nimi. Z celów projektowych oznacza to, że duży wzrost szybkości ładowania w największym stopniu negatywnie wpływa na kuty materiał-splotu koszowego ze względu na powstające w nim naprężenia przepływu, podczas gdy osad laserowy zmienia się najmniej.
Praktyczny wybór i wskazówki dotyczące procesu
W przypadku komponentów obciążonych dynamicznie wybierz najpierw kuty stan równoosiowy: zapewnia on najlepszą wytrzymałość, plastyczność i dynamiczne naprężenie płynięcia spośród trzech testowanych stanów.
Tam, gdzie wymagany jest produkt kuty, ale trudno jest uzyskać strukturę równoosiową, należy spodziewać się niższych naprężeń dynamicznych przy przepływie w przypadku struktury o splocie koszowym- i uwzględnić zmniejszone umocnienie odkształceniowe na marginesie projektu.
W przypadku szybkiego prototypu laserowego TC4 należy określić prasowanie izostatyczne na gorąco lub odpowiednią obróbkę cieplną w celu zamknięcia porowatości zachodzących na siebie i sprawdzić właściwości dynamiczne na reprezentatywnych próbkach produkcyjnych-a nie na wartościach literaturowych.
Zmierz wielkość ziarna i szerokość listwy w każdej partii produkcyjnej i powiąż pomiary z mechanicznymi testami akceptacyjnymi, ponieważ podane tutaj różnice we właściwościach wynikają bezpośrednio z tych różnic wymiarowych.
Porównując dostawców, należy sprawdzić rzeczywistą próżnię, strategię skanowania i atmosferę w pomieszczeniu, ponieważ te zmienne kontrolują pole temperatury, które powoduje defekty w osadzie.
Często zadawane pytania
P: Czy szybkie prototypowanie laserowe jest silniejsze niż kute TC4?
Nie ogólnie. Zarówno przy ściskaniu quasi-statycznym, jak i dynamicznym, kuty stan równoosiowy osiągnął najwyższą wytrzymałość i plastyczność, podczas gdy osad laserowy dorównywał plastyczności kutemu-splotowi koszykowemu, ale wykazywał niższe dynamiczne naprężenie przepływu.
P: Dlaczego szybko formowany laserowo osad zawiera pęknięcia i pory?
Każda strefa nakładania się warstw ulega powtarzającemu się szybkiemu topnieniu i zestalaniu przy nierównym polu temperaturowym, co powoduje zatrzymanie porowatości i może zainicjować pękanie wzdłuż granic nakładania się.
P: Która mikrostruktura sprawdza się najlepiej w przypadku-quasi-statycznej kompresji?
Kuta struktura równoosiowa, która wykazuje najlepszą kombinację wytrzymałości i plastyczności wraz z silnym efektem umocnienia odkształceniowego.
P: Który stan jest najbardziej wrażliwy na szybkość odkształcania?
Kuta struktura splotu koszowego-jest najbardziej wrażliwa, osad utworzony szybko laserowo najmniej, a kuta struktura równoosiowa plasuje się pomiędzy nimi.
P: Czy szybkie prototypowanie laserowe może zastąpić kucie części TC4?
W przypadku geometrii o kształcie zbliżonym do-netto- i umiarkowanych ścieżkach obciążenia może być konkurencyjny, ale w przypadku części obciążonych dynamicznie osad nadal wymaga zagęszczenia poprzez prasowanie izostatyczne na gorąco lub odpowiednią obróbkę cieplną, a także badanie próbne w celu potwierdzenia konsystencji.
P: Jakie normy mają zastosowanie do odkuwek TC4 i części łoża-proszkowego?
Pręty i odkuwki tytanowe są powszechnie określane zgodnie z normami ASTM B348 i ASTM B381, stapianie-w złożu laserowym Ti-6Al-4V jest objęte normą ASTM F2924, a topienie wiązką elektronów według normy ASTM F3001, natomiast badania mechaniczne przeprowadza się zgodnie z normami ASTM E8/E8M w przypadku rozciągania i ASTM E9 w przypadku ściskania.
