Dues vies de formació per a l'aliatge de titani TC4
TC4 (Ti-6Al{-4V) és l'aliatge de titani alfa{-beta estàndard per a estructures aeroespacials, dispositius mèdics i components industrials d'alt rendiment, perquè combina una alta resistència específica amb una excel·lent resistència a la corrosió. Les peces acabades es produeixen principalment per dues vies: forja convencional seguida de mecanitzat, i prototipat ràpid làser, en què la pols metàl·lica es fon capa per capa i el dipòsit és després tractat tèrmicament i acabat. La ruta de formació controla la morfologia del gra, la població de defectes i, en última instància, tant la resposta mecànica quasi estàtica com la dinàmica del component.
En la comparació resumida aquí, es van preparar mostres de compressió cilíndriques a partir de tres estats materials de la mateixa composició nominal: un grau equiaxial forjat, un grau de teixit-cistell forjat i un dipòsit de formació ràpida làser. La compressió quasi-estàtica es va dur a terme en una màquina de prova universal servo-hidràulica, mentre que la compressió dinàmica utilitzava una barra de pressió Hopkinson dividida. La geometria de la mostra, l'acabat de la superfície i la lubricació es van mantenir comparables de manera que la microestructura es va mantenir com la variable dominant.
Microestructura i mida del gra del TC4 forjat i{0}}format amb làser
Els tres estats difereixen notablement en la mida i la forma de les seves unitats estructurals. L'estat equiaxial forjat consisteix en grans alfa equiaxials amb una mida mitjana de gra d'aproximadament 10 a 20 micròmetres, el més gruixut dels tres. El segon estat forjat mostra una estructura de teixit de cistell- amb una amplada mitjana de llistons d'uns 0,35 micròmetres. El dipòsit de formació ràpida làser és una estructura de teixit-acicular fina amb una amplada mitjana d'uns 0,2 micròmetres, la més fina de les tres, però també conté esquerdes i porus a les zones de superposició de la capa.
| Estat material | Microestructura | Mida característica | Defectes típics |
|---|---|---|---|
| Grau equiaxial forjat | Grans alfa-beta equiaxials | Mida mitjana del gra d'uns 10-20 µm | Baixa densitat de defectes |
| Grau de teixit-cistell forjat | Cistelles-alfa de teixit | Amplada mitjana de llistons d'uns 0,35 µm | Baixa densitat de defectes |
| Dipòsit de formació ràpida làser | Cistell{0}}acicular fi | Amplada mitjana de llistons d'uns 0,2 µm | Esquerdes i porus a les zones de superposició |
Les diferències de mida no són cosmètiques. Els límits de gra i les interfícies de llistons actuen com a barreres al moviment de dislocació, de manera que l'estructura acicular molt fina augmenta l'estrès del flux localment, mentre que els defectes de superposició de capes actuen com a concentradors d'esforços que redueixen la ductilitat i dispersen les propietats mesurades.
Comportament de compressió quasi--estàtica
Sota una compressió quasi-estàtica, l'estructura equiaxial forjada funciona millor: mostra la combinació més alta de resistència i plasticitat juntament amb un efecte d'enduriment per deformació pronunciat. Els grans equiaxials es deformen de manera més uniforme i s'adapten a la tensió mitjançant múltiples sistemes de lliscament abans que es produeixi la localització.
L'estructura de teixit-de cistell forjat i el dipòsit de formació ràpida làser assoleixen nivells de resistència i plasticitat comparables, però el seu enduriment per tensió és feble. En aquestes estructures, la deformació es concentra en bandes estretes i, una vegada que les interfícies de llistons ja no poden redistribuir la tensió, la càrrega addicional produeix poc enduriment addicional.
Comportament dinàmic de compressió
La classificació canvia amb la càrrega dinàmica. L'estructura equiaxial forjada assoleix la tensió de flux més alta i la deformació més gran, confirmant que els seus mecanismes de deformació segueixen sent efectius a una velocitat de deformació elevada. L'estructura de teixit-cistell forjat i el dipòsit de formació ràpida làser mostren una plasticitat similar, però la tensió de flux dinàmic de l'estructura de teixit-cistell forjat és més gran.
El dipòsit làser és el més feble dinàmicament. La fusió ràpida i el refredament ràpid inherents al procés creen un historial de temperatures molt poc-uniforme a l'interior de la peça, que deixa una tensió residual i una estructura heterogènia. Aleshores, els defectes de superposició descrits anteriorment dominen l'alta -tasa de resposta, de manera que les propietats mecàniques dinàmiques del dipòsit làser cauen per sota de les de l'estructura de teixit de cistella-forjada.
Sensibilitat a la velocitat de tensió
Els tres estats són sensibles a la velocitat de tensió, però no en el mateix grau. L'estructura de teixit de cistella-forjada mostra la sensibilitat més forta a la velocitat de tensió, el dipòsit de formació ràpida làser el més feble i l'estructura equiaxial forjada es troba entre els dos. A efectes de disseny, això significa que un gran augment de la velocitat de càrrega penalitza el material de teixit de cistell-forjat més pel que fa a la tensió de flux que desenvolupa, mentre que el dipòsit làser canvia menys.
Selecció pràctica i orientació de processos
Per als components carregats dinàmicament, trieu primer l'estat equiaxial forjat: ofereix la millor resistència, plasticitat i estrès de flux dinàmic dels tres estats provats.
Quan es requereix un producte forjat però és difícil d'obtenir una estructura equiaxial, espereu una tensió de flux dinàmica més baixa d'una estructura de teixit de cistella-i permetre un enduriment reduït per deformació al marge del disseny.
Per al TC4 prototipat ràpid amb làser, especifiqueu la premsa isostàtica en calent o un tractament tèrmic adequat per tancar la porositat superposada i valideu les propietats dinàmiques dels cupons representatius de producció-en lloc dels valors de la literatura.
Mesureu la mida del gra i l'amplada del llistó a cada lot de producció i vinculeu les mesures amb les proves d'acceptació mecànica, perquè les diferències de propietats que s'indiquen aquí es deuen directament a aquestes diferències dimensionals.
Verificar el buit real, l'estratègia d'escaneig i crear atmosfera en comparar proveïdors, ja que aquestes variables controlen el camp de temperatura que produeix els defectes del dipòsit.
Preguntes freqüents
P: El prototipat ràpid làser és més fort que el TC4 forjat?
No en general. Sota una compressió quasi-estàtica i dinàmica, l'estat equiaxial forjat va assolir la màxima resistència i plasticitat, mentre que el dipòsit làser va coincidir amb l'estat de teixit de cistella forjada- en plasticitat, però va mostrar una tensió de flux dinàmica més baixa.
P: Per què el dipòsit format ràpid làser conté esquerdes i porus?
Cada zona de superposició de capes experimenta una fusió i solidificació ràpida repetida amb un camp de temperatura desigual, que atrapa la porositat i pot iniciar esquerdes al llarg dels límits de superposició.
P: Quina microestructura funciona millor amb una compressió quasi-estàtica?
L'estructura equiaxial forjada, que mostra la millor combinació de resistència i plasticitat juntament amb un fort efecte d'enduriment per tensió.
P: Quin estat és més sensible a la velocitat de tensió?
L'estructura de teixit de cistell-forjat és la més sensible, el dipòsit format ràpid làser el menys i l'estructura equiaxial forjada es troba entre els dos.
P: El prototipat ràpid làser pot substituir la forja per a peces TC4?
Per a una geometria de forma propera -neta- amb camins de càrrega moderats pot ser competitiu, però per a peces carregades dinàmicament el dipòsit encara necessita densificació mitjançant premsat isostàtic en calent o un tractament tèrmic adequat, a més de proves de cupons per confirmar la consistència.
P: Quins estàndards s'apliquen a les peces forjades TC4 i a les peces-de pols?
La barra de titani i les forjades s'especifiquen habitualment sota ASTM B348 i ASTM B381, la fusió làser de pols-de Ti-6Al-4V està coberta per ASTM F2924 i la fusió del feix d'electrons per ASTM F3001, mentre que les proves mecàniques segueixen ASTM E8/E8M per a la tensió i ASTM E9 per a la compressió.
