יצירת אב טיפוס מהיר בלייזר לעומת חישול של סגסוגת טיטניום TC4: מיקרו-מבנה והתנהגות דינמית

שני מסלולי גיבוש עבור סגסוגת טיטניום TC4

TC4 (Ti-6Al-4V) היא סגסוגת טיטניום אלפא-בטא הסטנדרטית עבור מבני תעופה וחלל, מכשירים רפואיים ורכיבים תעשייתיים חזקים במיוחד, מכיוון שהיא משלבת חוזק ספציפי גבוה עם עמידות מצוינת בפני קורוזיה. חלקים מוגמרים מיוצרים בעיקר בשני מסלולים: פרזול קונבנציונלי ואחריו עיבוד שבבי, ואבי טיפוס מהיר בלייזר, שבו אבקת מתכת מומסת שכבה אחר שכבה ולאחר מכן המשקע עובר טיפול בחום ומסיים. תוואי היווצרות שולט על מורפולוגיה של הדגן, אוכלוסיית הפגמים ובסופו של דבר, הן בתגובה הכמו-סטטית והן בתגובה המכנית הדינמית של הרכיב.

בהשוואה המסוכמת כאן, דגימות דחיסה גליליות הוכנו משלושה מצבי חומר באותו הרכב נומינלי: דרגת שווי-ציר מזויפת, דרגת אריגה- של סל מזויפת ומשקע שנוצר במהירות בלייזר. דחיסה מעין-סטטית בוצעה על מכונת בדיקה אוניברסלית סרוו-, בעוד שדחיסה דינמית השתמשה בסרגל לחץ מפוצל של הופקינסון. גיאומטריית הדגימה, גימור פני השטח והסיכה נשמרו בהשוואה כך שמבנה המיקרו נשאר המשתנה הדומיננטי.

מיקרו-מבנה וגודל גרגירים של מחושלים ולייזר- שנוצרו TC4

שלושת המצבים נבדלים באופן ניכר בגודל ובצורה של היחידות המבניות שלהם. המצב השווה-ציר המחושל מורכב מגרגירי אלפא שוות-צירים עם גודל גרגר ממוצע של בערך 10 עד 20 מיקרומטר, הגס מבין השלושה. המצב המזויף השני מציג מבנה אריגה של-סל עם רוחב רצועה ממוצע של כ-0.35 מיקרומטר. המשקע הנוצר במהירות בלייזר הוא מבנה ארוג של סל{7}} עדין עם רוחב רצועה ממוצע של כ-0.2 מיקרומטר, העדין מבין השלושה, אך הוא מכיל גם סדקים ונקבוביות באזורי החפיפה של השכבות.

הבדלי המידות אינם קוסמטיים. גבולות תבואה וממשקי רשת פועלים כמחסומים לתנועת נקע, כך שהמבנה הדק מאוד מעלה את מתח הזרימה באופן מקומי, בעוד פגמי חפיפת השכבות פועלים כמרכזי מתח המפחיתים את המשיכות ומפזרים את המאפיינים הנמדדים.

מעין-התנהגות דחיסה סטטית

תחת דחיסה מעין-סטטית, המבנה השווה-צירים המחושל מתפקד בצורה הטובה ביותר: הוא מציג את השילוב הגבוה ביותר של חוזק וגמישות יחד עם אפקט התקשות מתח בולט. הגרגירים שוות-הצירים מתעוותים בצורה אחידה יותר ומתאימים למתח דרך מערכות החלקה מרובות לפני שמתרחשת לוקליזציה.

מבנה האריגה של-הסל המחושל והמשקל שנוצר במהירות בלייזר מגיעים לרמות חוזק ופלסטיות דומות, אך התקשות המתח שלהם חלשה. במבנים אלה הדפורמציה מתרכזת ברצועות צרות, וברגע שממשקי הרשת אינם יכולים עוד לחלק מחדש את המתח, העמסה נוספת מייצרת התקשות מעטה נוספת.

התנהגות דחיסה דינמית

הדירוג משתנה תחת טעינה דינמית. המבנה השווה ציר המחושל מגיע למתח הזרימה הגבוה ביותר ולמתח הגדול ביותר, מה שמאשר שמנגנוני העיוות שלו נשארים יעילים בקצב מתח גבוה. מבנה האריגה-של הסל המחושל והמשקל שנוצר במהירות בלייזר מראים פלסטיות דומה, אך מתח הזרימה הדינמי של מבנה האריגה-של הסל המחושל גבוה יותר.

הפקדת הלייזר היא הביצועים החלשים ביותר מבחינה דינמית. ההיתוך המהיר והקירור המהיר הטבועים בתהליך יוצרים היסטוריית טמפרטורות מאוד לא- אחידה בתוך החלק, מה שמותיר מתח שיורי ומבנה הטרוגני. פגמי החפיפה שתוארו לעיל שולטים אז בתגובת-הקצב הגבוה, כך שהמאפיינים המכניים הדינמיים של משקע הלייזר יורדים מתחת לאלו של מבנה האריג- של הסל המזויף.

רגישות לקצב הזנים

כל שלושת המצבים רגישים לקצב הזנים, אך לא באותה מידה. מבנה האריגה של הסל המזויף מראה את רגישות קצב המתח החזק ביותר, המשקע הנוצר במהירות בלייזר הוא החלש ביותר, והמבנה השווה-צירים המחושל נמצא בין השניים. למטרות עיצוב משמעות הדבר היא שעלייה גדולה בקצב הטעינה מענישה את חומר האריגה של הסל המחושל ביותר במונחים של מתח הזרימה שהוא מפתח, בעוד שמשקע הלייזר משתנה הכי פחות.

בחירה מעשית והדרכה תהליכית

עבור רכיבים הטעונים בצורה דינמית, בחר תחילה את המצב המחושל שווה-צירים: הוא נותן את החוזק, הפלסטיות ומתח הזרימה הדינמי הטובים ביותר מבין שלושת המצבים שנבדקו.

כאשר נדרש מוצר מזויף אך קשה להשיג מבנה שווה-צירים, צפו ללחץ זרימה דינמי נמוך יותר ממבנה אריגה של-סל ואפשר להתקשות המתח המופחת בשולי התכנון.

עבור אבי טיפוס מהיר בלייזר TC4, ציין לחיצה איזוסטטית חמה או טיפול חום מתאים לסגירת נקבוביות חפיפה, ואמת את המאפיינים הדינמיים על קופונים מייצגים-לייצור ולא על ערכי ספרות.

מדוד את גודל הגרגרים ורוחב הרצועה בכל מגרש ייצור, וקשר את המדידות לבדיקות הקבלה המכניות, מכיוון שההבדלי המאפיינים המדווחים כאן נובעים ישירות מהבדלי ממדים אלו.

ודא את הוואקום בפועל, אסטרטגיית הסריקה ובניית אווירה בעת השוואת ספקים, שכן משתנים אלו שולטים בשדה הטמפרטורה המייצר את הפגמים בפיקדון.

שאלות נפוצות

ש: האם אב טיפוס מהיר בלייזר חזק יותר מ-TC4 מזויף?
לא באופן כללי. תחת דחיסה מעין-סטטית וגם דינמית, המצב השווה-ציר המחושל הגיע לחוזק ולפלסטיות הגבוהים ביותר, בעוד שמשקע הלייזר תואם את מצב האריגה של הסל המחושל בפלסטיות אך הראה מתח זרימה דינמי נמוך יותר.

ש: מדוע המשקע שנוצר בלייזר מהיר מכיל סדקים ונקבוביות?
כל אזור חפיפה של שכבה חווה התכה והתמצקות מהירה חוזרת ונשנית עם שדה טמפרטורה לא אחיד, אשר לוכד נקבוביות ויכול ליזום סדקים לאורך גבולות החפיפה.

ש: איזה מבנה מיקרו מתפקד הכי טוב תחת דחיסה מעין- סטטית?
המבנה השווה ציר מזויף, המציג את השילוב הטוב ביותר של חוזק וגמישות יחד עם אפקט התקשות מתח חזק.

ש: איזה מצב הכי רגיש לקצב הזנים?
מבנה האריגה של-הסל המחושל הוא הרגיש ביותר, המשקע הנוצר במהירות בלייזר הכי פחות, והמבנה השווה-צירים המחושל נופל בין השניים.

ש: האם אב טיפוס מהיר בלייזר יכול להחליף חישול עבור חלקי TC4?
עבור גיאומטריית צורה קרובה-נטו- עם נתיבי עומס מתונים זה יכול להיות תחרותי, אבל עבור חלקים טעונים דינמית, המשקע עדיין זקוק לצפיפות על ידי לחיצה איזוסטטית חמה או טיפול חום מתאים, בתוספת בדיקת קופון כדי לאשר עקביות.

ש: אילו תקנים חלים על פרזול TC4 וחלקי מיטה-אבקה?
סרגל טיטניום וחיפולים מצוינים בדרך כלל תחת ASTM B348 ו-ASTM B381, איחוי מצע -אבקת לייזר של Ti-6Al-4V מכוסה על ידי ASTM F2924 והמסת קרן אלקטרונים על ידי ASTM F3001, בעוד בדיקה מכנית עוקבת אחר ASTM E8/E8M עבור מתח ו-ASTM E9 עבור דחיסה.