高強(qiáng)度超聲用于鈦合金Ti-6Al-4V的晶粒結(jié)構(gòu)控制
時(shí)間：2020-01-13 13:41 來(lái)源：南極熊 作者：中國(guó)3D打印網(wǎng) 閱讀：次
隨著金屬3D打印繼續(xù)引領(lǐng)下一次工業(yè)革命，澳大利亞的工程師正在進(jìn)一步研究以研究改善機(jī)械性能的改進(jìn)方法。選擇鈦合金制成用于實(shí)驗(yàn)和測(cè)試的樣品，作者在最近發(fā)表的“ 通過(guò)高強(qiáng)度超聲在金屬3D打印過(guò)程中控制晶粒結(jié)構(gòu) ”中概述了他們的發(fā)現(xiàn)。
樣品由10毫米×10毫米×10毫米的立方體進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)檢查，并由24毫米×8毫米×10毫米（長(zhǎng)，寬和高）的塊體進(jìn)行拉伸測(cè)試。研究人員根本不需要改變合金，而是采用增材制造的凝固控制解決方案來(lái)印刷具有等軸晶粒結(jié)構(gòu)的金屬合金，以防止性能各向異性并因此降低機(jī)械性能。在這項(xiàng)研究中，使用鈦合金Ti-6Al-4V。作為鈦的“基準(zhǔn)合金”，也是許多研究的主題，鈦合金Ti-6Al-4V用作金屬AM工藝中質(zhì)量的比較。
“但是，通過(guò)不同的基于熔融的AM工藝制造的Ti-6Al-4V表現(xiàn)出很強(qiáng)的柱狀晶粒結(jié)構(gòu)。AM制造的Ti-6Al-4V中的柱狀先驗(yàn)β晶粒沿構(gòu)造方向具有強(qiáng)<001>取向。這導(dǎo)致產(chǎn)生一個(gè)β→α轉(zhuǎn)變織構(gòu)，這是AM鑒定的一個(gè)重要問(wèn)題，因?yàn)槠鋵?dǎo)致的機(jī)械性能各向異性。”研究人員解釋說(shuō)，此外，根據(jù)為層狀α-βTi-6Al-4V21-23建立的Hall-Petch關(guān)系，粗大的柱狀先驗(yàn)β晶粒可能會(huì)進(jìn)一步降低Ti-6Al-4V的強(qiáng)度（可能存在例外）。”
最終，研究表明，在Ti-6Al-4V的AM處理過(guò)程中使用超聲波可以形成完全等軸的結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致：
樣品由10毫米×10毫米×10毫米的立方體進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)檢查，并由24毫米×8毫米×10毫米（長(zhǎng)，寬和高）的塊體進(jìn)行拉伸測(cè)試。研究人員根本不需要改變合金，而是采用增材制造的凝固控制解決方案來(lái)印刷具有等軸晶粒結(jié)構(gòu)的金屬合金，以防止性能各向異性并因此降低機(jī)械性能。在這項(xiàng)研究中，使用鈦合金Ti-6Al-4V。作為鈦的“基準(zhǔn)合金”，也是許多研究的主題，鈦合金Ti-6Al-4V用作金屬AM工藝中質(zhì)量的比較。
“但是，通過(guò)不同的基于熔融的AM工藝制造的Ti-6Al-4V表現(xiàn)出很強(qiáng)的柱狀晶粒結(jié)構(gòu)。AM制造的Ti-6Al-4V中的柱狀先驗(yàn)β晶粒沿構(gòu)造方向具有強(qiáng)<001>取向。這導(dǎo)致產(chǎn)生一個(gè)β→α轉(zhuǎn)變織構(gòu)，這是AM鑒定的一個(gè)重要問(wèn)題，因?yàn)槠鋵?dǎo)致的機(jī)械性能各向異性。”研究人員解釋說(shuō)，此外，根據(jù)為層狀α-βTi-6Al-4V21-23建立的Hall-Petch關(guān)系，粗大的柱狀先驗(yàn)β晶粒可能會(huì)進(jìn)一步降低Ti-6Al-4V的強(qiáng)度（可能存在例外）。”
金屬AM期間的高強(qiáng)度超聲。橫截面示意圖顯示了通過(guò)基于激光的DED施加到以20 kHz振動(dòng)的超聲超聲波上的金屬AM。高強(qiáng)度超聲波在液態(tài)金屬中形成的空化和流化現(xiàn)象會(huì)在凝固過(guò)程中劇烈攪動(dòng)熔體，從而促進(jìn)顯著的結(jié)構(gòu)改性或精煉。
盡管在金屬3D打印中很難找到堅(jiān)固且穩(wěn)定的成核合金，但Ti-6Al-4V正是這樣。
a，b在沒(méi)有（a）和有（b）超聲的情況下，樣品的光學(xué)顯微鏡圖像
c，d偏光顯微鏡圖像顯示大的柱狀晶粒（c）和細(xì)等軸晶粒（d）。e，f從跟蹤的先驗(yàn)β晶粒圖像中測(cè)量的有和沒(méi)有超聲的樣品的先驗(yàn)β晶粒尺寸（e）和先驗(yàn)β晶粒長(zhǎng)寬比（f）的直方圖（參見(jiàn)補(bǔ)充圖1）。c和d中的先驗(yàn)β晶界以白色表示。比例尺，1毫米。
使用Ti-6Al-4V在有和沒(méi)有高強(qiáng)度超聲的情況下制備樣品。所得的微結(jié)構(gòu)分析顯示出樣品之間的顯著差異，因?yàn)闆](méi)有超聲的樣品顯示出圓柱狀的先驗(yàn)β晶粒，其長(zhǎng)度為幾毫米，寬度為〜0.5
mm，穿過(guò)多個(gè)沉積層（如研究人員所預(yù)期的），而用于超聲的樣品表明細(xì)（〜100
μm），等軸先驗(yàn)β晶粒。在用掃描電子顯微鏡（SEM）掃描了所有樣品后，研究人員注意到先驗(yàn)β晶粒內(nèi)的籃狀α-β微觀結(jié)構(gòu)。最終，研究表明，在Ti-6Al-4V的AM處理過(guò)程中使用超聲波可以形成完全等軸的結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致：
- 改善微觀結(jié)構(gòu)的同質(zhì)性
- 先前的β晶粒尺寸顯著減小
-
明顯削弱凝固組織
研究人員總結(jié)說(shuō)：“對(duì)超聲條件的評(píng)估表明，對(duì)于大批量制造AM零件的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，超聲換能器元件的選擇可能是重要的實(shí)際考慮因素，建議使用磁致伸縮換能器。”“為評(píng)估我們方法的通用性，超聲晶粒細(xì)化方法已成功應(yīng)用于Inconel
625的增材制造，包括通過(guò)簡(jiǎn)單地打開(kāi)和關(guān)閉沿構(gòu)造高度創(chuàng)建交替的柱狀/等軸/柱狀I(lǐng)nconel
625晶粒結(jié)構(gòu)的方法。在AM期間進(jìn)行超聲檢查。我們希望該技術(shù)可以擴(kuò)展到其他金屬材料的增材制造。”
帶有和不帶有高強(qiáng)度超聲的AM制造的Ti-6Al-4V的微觀結(jié)構(gòu)表征。a–d SEM圖像顯示了沒(méi)有（a，c）和（b，d）超聲的樣品中先驗(yàn)β晶粒內(nèi)部的α-β結(jié)構(gòu)。e，f沒(méi)有（e）和有（f）超聲的樣品的α板條厚度的直方圖。a和b中的先驗(yàn)β晶界以白色表示。比例尺，a，b分別為50μm和c，d均為5μm。
隨著金屬3D打印的普及-工業(yè)用戶開(kāi)始更多地依賴于增材制造工藝，研究人員正在研究鈦粉，因?yàn)樗@示出了許多應(yīng)用的潛力。例如，在關(guān)鍵外科手術(shù)中制造醫(yī)療植入物，協(xié)助骨骼再生等。(責(zé)任編輯：admin)
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