A liga de titânio TC4 é amplamente utilizada nos campos aeroespacial, químico, biomédico e outros campos importantes devido à sua resistência à corrosão, alta resistência específica, boa tenacidade e excelente biocompatibilidade. No entanto, o processamento da liga de titânio TC4 sob o processo tradicional tem as deficiências de baixa utilização de material, alto custo de fabricação e difícil deformação, o que limita seriamente a popularização e aplicação da liga de titânio TC4, e o surgimento da tecnologia de impressão 3D irá melhorar esta situação. .
A impressão 3D, cujo nome científico é manufatura aditiva, teve origem na década de 1990 na tecnologia de prototipagem rápida. Distinto da fabricação subtrativa, utiliza o princípio discreto/empilhamento, o uso de tecnologia computacional para processar partes do modelo sólido 3D cortadas em uma série de fatias finas com uma determinada espessura, equipamentos de impressão 3D para processamento de análise de dados e processamento de contínuo processamento de cada fatia fina e empilhamento, seguido da formação de partes sólidas densas. A tecnologia de impressão 3D é adequada para processar qualquer formato de peças e tem uma alta taxa de utilização do material, baixo custo, a tecnologia de impressão 3D é adequada para processar peças de qualquer formato e tem as vantagens de alta utilização de material, baixo custo, alta flexibilidade e alta integração, especialmente adequada para moldagem de liga de titânio TC4. A tecnologia de impressão 3D inclui principalmente tecnologia seletiva de fusão e moldagem a laser (seletiva lasermelting (SLM), tecnologia de modelagem de rede projetada a laser (modelagem de rede projetada a laser (LENS)) e tecnologia de fusão e moldagem por feixe de elétrons (fusão por feixe de elétrons (EBM)), que é a tecnologia mais avançada do setor. fusão por feixe de elétrons (EBM).Entre elas, a moldagem EBM tem muitas vantagens em comparação com as outras duas tecnologias de moldagem: (1) a moldagem EBM usa feixe de elétrons como fonte de energia, sem reflexo no processo de fabricação , alta utilização de energia; (2) a moldagem EBM é realizada em um ambiente de vácuo, o que pode efetivamente evitar a contaminação de outros elementos no ar; (3) a moldagem EBM é mais eficiente do que outras tecnologias de moldagem devido ao alto consumo de energia e alta velocidade de varredura; (4) a moldagem EBM é mais eficiente do que as outras tecnologias de moldagem devido à alta entrada de energia e alta velocidade de varredura; (5) a moldagem EBM é mais eficiente do que as outras tecnologias de moldagem. (4) As peças moldadas EBM apresentam menos tensão residual e não requerem tratamento térmico posterior, economizando energia.
Este artigo parte do princípio da tecnologia EBM, resume os resultados de pesquisas relevantes no país e no exterior, descreve a microestrutura, defeitos e propriedades mecânicas das peças de liga de titânio TC4 moldadas por EBM sob diferentes parâmetros de processo e, finalmente, aguarda suas perspectivas de aplicação.
1.Princípio e principais parâmetros do EBM
Em primeiro lugar, o software Magicsl9.0 fatia e sobrepõe o modelo 3D da peça de acordo com uma determinada espessura, de modo a obter a informação bidimensional geral da peça. Em seguida, o sistema EBM espalha uniformemente o pó da liga no substrato de acordo com uma certa espessura, e varre e derrete o pó da liga no substrato com o feixe de elétrons formado pela corrente que passa pelo filamento de tungstênio como fonte de calor sob a ação de a bobina de focagem e a bobina de deflexão eletromagnética. Cada camada de fusão de varredura do feixe de elétrons, a mesa cairá uma altura de camada e, em seguida, recolocará o pó, o feixe de elétrons para repetir o processo de fusão de varredura e cada camada processada condensada em um todo. Todo o processo de fabricação é realizado em ambiente de vácuo, evitando efetivamente a possibilidade de oxidação da liga de titânio durante o processamento. Após a fabricação, o sistema EBM remove a peça da câmara de construção e a coloca em um sistema de recuperação de pó (PRS), que utiliza ar de alta pressão para remover o pó aderido à superfície da peça, resultando em uma peça moldada com superfície lisa. .
Os principais parâmetros da tecnologia EBM são corrente do feixe de elétrons, tensão de aceleração, velocidade de varredura, espessura da camada, espaçamento entre linhas de varredura e compensação de ponto focal, etc. Diferentes densidades de energia podem ser obtidas ajustando esses parâmetros, por exemplo, aumentando a corrente do feixe de elétrons ou diminuindo a velocidade de varredura, podem ser obtidas densidades de energia mais altas. O tamanho da densidade de energia afeta muito a microestrutura, os defeitos e as propriedades mecânicas das peças moldadas, e a densidade de energia apropriada fará com que a liga tenha melhores propriedades mecânicas. Devido ao processo de moldagem exclusivo da tecnologia EBM, a microestrutura e as propriedades mecânicas das peças moldadas em liga de titânio TC4 moldadas por EBM são diferentes daquelas das peças moldadas em liga de titânio TC4 fabricadas convencionalmente (por exemplo, forjadas).
2.EBM formando microestrutura e defeitos da liga de titânio TC4
2.1 EBM formando microestrutura da liga de titânio TC4 e fatores de influência
A mudança de temperatura do EBM formando a liga de titânio TC4 no processo de conformação afeta sua microestrutura. Em primeiro lugar, o pó derrete sob a ação do feixe de elétrons, e a temperatura da liga líquida atinge cerca de 1700 graus, que é muito mais alta do que a temperatura de transição de fase da liga de titânio TC4 (995 graus), neste momento, o líquido a liga consiste nos grãos originais; e então, com o feixe de elétrons afastado, a liga líquida é rapidamente resfriada até a temperatura de construção (geralmente 650-700 grau) para permanecer estável e se torna um estado sólido, neste momento a liga sofre um → +, e o precipitação da fase acicular. Precipitação da fase acicular e da fase colunar. A1-Bermani et al. acredito que nesta fase da taxa de resfriamento superior a 410 graus / s, irá precipitar 'martensita subestável, um longo tempo no ambiente de alta temperatura e a decomposição da estrutura em camadas +, e a maioria das ripas aciculares finas e um pequeno parte da fase. Após a moldagem da liga de titânio TC4 pela temperatura de construção resfriada lentamente até a temperatura ambiente, a microestrutura da liga não mudou significativamente, ainda composta pela fase +. Moldagem EBM da liga de titânio TC4 e moldagem por forjamento da microestrutura da liga de titânio TC4 conforme mostrado na Figura 2.
Estudiosos no país e no exterior para moldagem EBM microestrutura de liga de titânio TC4 fizeram muitas pesquisas, descobriram que os parâmetros do processo de moldagem, a localização das peças de moldagem, o tamanho da peça de moldagem e outros fatores afetarão a taxa de resfriamento da liga no processo de moldagem , o que por sua vez afeta o tamanho do grão. Hrabe et al. descobriu que, nas condições de garantir que a entrada de energia possa ser feita para fazer com que o pó da liga de titânio TC4 seja completamente derretido para formar uma parte densa, aumente adequadamente o feixe eletrônico. A velocidade de varredura faz com que o tamanho da poça de fusão diminua e a taxa de resfriamento aumentar, resultando na precipitação de ripas e fases mais finas. Murr et al. e Wang et al. descobriram que as microestruturas das ligas de titânio TC4 formadas por EBM eram diferentes em locais diferentes. Conforme mostrado na Figura 3, a posição de menor altura de deposição, por estar mais próxima do substrato de moldagem e, portanto, apresentar maior taxa de resfriamento, é uma zona de crescimento instável, fácil de precipitar a fase fina em forma de agulha; quanto maior a altura de deposição da posição da ripa, mais espessa, maiores serão os grãos; deposição de uma certa altura, o ripado fica em uma zona de crescimento estável, assim como o tamanho do grão tende a se estabilizar. Wang et al. também investigou o efeito do tamanho das peças moldadas na microestrutura da liga de titânio TC4 formada por EBM e descobriu que no processo de fusão e solidificação camada por camada, a taxa de resfriamento das amostras menores era maior e, portanto, precipitava mais fino -fase. Galarraga et al. investigou ainda mais e descobriu que a mudança da microestrutura da liga de titânio TC4 formada por EBM estava relacionada ao seu tempo de residência na câmara de construção, e que o tempo de residência era muito longo, o que resultaria na deposição de menor altura e maior microestrutura no inferior da altura de depósito. a altura é menor, a microestrutura é mais grosseira.
2.2 Defeitos na moldagem EBM da liga de titânio TC4
Devido à seleção inadequada de parâmetros do processo ou interferência no processo, a moldagem EBM de peças de liga de titânio TC4 pode produzir uma variedade de defeitos. Zhai et al. descobriram que existem dois defeitos típicos na microestrutura da moldagem EBM da liga de titânio TC4: um é a porosidade causada pelo gás argônio aprisionado no pó defeituoso; a outra é a porosidade devido à má fusão do pó da liga.
Gong et al. classificou os defeitos da liga de titânio TC4 em duas categorias principais de acordo com o nível de densidade de energia do feixe de elétrons de entrada. Quando a densidade de energia é muito baixa, não é suficiente conectar completamente a poça de fusão com a poça de fusão e as camadas com as camadas, formando defeitos de fusão irregulares acompanhados de uma certa porosidade. Quando a densidade de energia é muito alta, resultando em um rápido aumento do calor local, o pó derrete sob a ação do aumento da tensão superficial (a baixa condutividade térmica do pó) e, portanto, a formação dos poros. Kahnert et al. constatou que o consumo de energia é muito alto, não só a qualidade da superfície das peças moldadas será pior, como, em casos graves, fará com que a máquina de direcionamento do sistema de pintura a pó pare de funcionar, sendo necessário abortar o próprio processo de fabricação. Além disso, quando a corrente do feixe de elétrons ultrapassar um determinado limite, o pó da liga será expelido, deixando poros irregulares na camada, o que em casos graves fará com que todo o leito de pó desmorone, conforme mostrado na Figura 5; pré-aquecer o leito de pó para melhorar sua adesão e superar o impulso do feixe de elétrons no pó da liga pode evitar a ocorrência de colapso do pó. Os defeitos terão um impacto negativo nas propriedades mecânicas da liga de titânio C4, e os parâmetros do processo EBM devem ser otimizados, como controlar a velocidade de varredura, ajustar o espaçamento entre linhas de varredura e otimizar a corrente do feixe de elétrons para reduzir a geração de defeitos.
3. Propriedades mecânicas da liga de titânio TC4 moldada por EBM
3.1 Propriedades de tração da liga de titânio TC4 moldada por EBM
Bruno e cols. estudaram as propriedades de tração de ligas de titânio TC4 formadas por EBM e forjadas, devido ao fato de que as ligas de titânio TC4 formadas por EBM são propensas a defeitos de poros durante o processo de moldagem e sua distribuição de microestrutura não é homogênea, resultando na maior resistência à tração e resistências ao escoamento de 996 MPa e 919 MPa, respectivamente, que são ligeiramente inferiores às das ligas de titânio TC4 forjadas (resistências à tração e ao escoamento de 1034 MPa e 991 MPa :); Wang et al. resistência ao escoamento de 1034MPa, 991MPa respectivamente:); Wang et al. também estudou as propriedades de tração da liga de titânio TC4 moldada por EBM e descobriu que sua resistência à tração era de 1002 MPa, a resistência ao escoamento era de 932 MPa e o alongamento era de 14,4%, todos superiores aos das peças forjadas de liga de titânio TC4 após recozimento e tratamento de envelhecimento. .
Existe anisotropia significativa nas propriedades mecânicas da liga de titânio TC4 moldada por EBM. Bruno et al. e Hrabe et al. descobriram que a resistência à tração das amostras moldadas EBM na direção horizontal é mais forte do que na direção vertical, e o alongamento das amostras moldadas na direção horizontal é menor do que na direção vertical. Isto se deve à falta de homogeneidade do grão B dentro da liga: a amostra moldada cresce principalmente na direção vertical; a formação de grãos primários menores na direção horizontal reduz o acúmulo de tensão nos limites dos grãos, o que atrasa o início da trinca e resulta em um alongamento ligeiramente maior.
Hrabe et al. descobriram que um aumento na velocidade de varredura do feixe de elétrons (que está negativamente correlacionada com a densidade de energia) resultou em uma ligeira diminuição na espessura das ripas (1,16 μm → 0 0,95un), o que por sua vez aumentou a resistência à tração resistência, resistência ao escoamento e microdureza em 2%, 3% e 2%, respectivamente.
Formanoir et al. A liga de titânio TC4 para moldagem EBM foi mantida a 950 graus por 60 min e 1040 graus por 30 min, ambos usando resfriamento a água e resfriamento a ar, dois métodos de resfriamento, a resistência à tração e a resistência ao escoamento da liga foram ligeiramente reduzidas, o alongamento não obteve um aumento significativo, indicando que apenas o controle dos parâmetros-chave da moldagem EBM é um método eficaz para melhorar o desempenho da liga.
3.2 Propriedades de fadiga da liga de titânio TC4 moldada por EBM
Chan et al. testaram a vida à fadiga (número de ciclos) da liga de titânio TC4 formada por EBM e da liga de titânio TC4 laminada sob tensão de flexão alternada de 600 MPa (± 10%). Os resultados mostram que a vida em fadiga da liga de titânio TC4 formada por EBM é de apenas 17% da vida em fadiga da liga laminada; a fratura da liga de titânio TC4 formada por EBM é distribuída com diferentes formatos de poros devido às regiões mal fundidas e sua rugosidade superficial é muito maior do que a da liga de titânio TC4 laminada, o que é uma razão importante para sua baixa vida à fadiga.
Tammas-Williams et al. descobriram que o tratamento com pressão isostática a quente pode efetivamente eliminar a maioria dos poros na liga de titânio TC4 formada por EBM, mas se existirem alguns furos de tunelamento nas amostras e estiverem conectados à superfície, o gás argônio de alta pressão sob tratamento HIP penetrará no buracos de tunelamento, fazendo com que esses defeitos de tunelamento se expandam levemente, resultando na falha do tratamento HIP; a adição de revestimentos às amostras antes do HIP pode remover os defeitos de tunelamento. Shui et al. descobriram que após o tratamento HIP da liga de titânio TC4 formada por EBM, embora a lâmina se torne mais espessa, a densidade de deslocamento diminui, e a resistência à tração, bem como a resistência ao escoamento diminuem de 870MPa e 788MPa para 819MPa e 711MPa, respectivamente, o tratamento HIP torna a organização mais homogênea, e a densidade relativa da liga sobe de 99,3% para 99,8%, o que diminui a fonte de brotamento de trincas, que por sua vez aumenta a resistência à fadiga de 460 boas para 580 MPa.
4. Conclusão
Em resumo, os resultados da pesquisa nacional e estrangeira sobre EBM formando liga de titânio TC4 mostram que: EBM formando liga de titânio TC4 organização macroscópica para o crescimento de cristais colunares ao longo da direção de construção, microestrutura para + estrutura em camadas, quanto mais rápida a taxa de resfriamento, o mais fácil é obter uma microestrutura mais fina. A otimização dos parâmetros do processo faz com que o EBM tenha a melhor densidade de energia, o que pode efetivamente evitar a geração de um grande número de defeitos. O tratamento HOP subsequente também é capaz de remover poros e homogeneizar a microestrutura, o que melhora significativamente as propriedades de fadiga, embora leve ao engrossamento dos grãos, menor densidade de deslocamento e uma ligeira diminuição na resistência da liga. A otimização dos parâmetros do processo de moldagem EBM, complementada por tratamento de acompanhamento adequado, pode ser obtida com fundição convencional e forjamento de ligas de titânio TC4 com desempenho comparável. EBM economiza matéria-prima, rápido, eficiente e fácil de formar formas complexas de peça de trabalho moldagem e substituirá gradualmente os atuais métodos de fabricação subtrativos usados nas áreas aeroespacial, química e médica.
