Produzione di additivi per fascio di elettroni di Ti6A14V: evoluzione della morfologia delle polveri e microstruttura delle parti con riutilizzo delle polveri

I ricercatori dell’Università di Washington stanno esplorando ulteriori complessità della scienza dei materiali nella stampa dei metalli, sottolineando le loro scoperte nella recente pubblicazione ” Produzione di additivi per fascio di elettroni di Ti6A14V: evoluzione della morfologia delle polveri e microstruttura delle parti con riutilizzo delle polveri “.

Preoccupati della qualità per le applicazioni aerospaziali, gli autori hanno progettato questo studio per affrontare “questioni fondamentali” riguardanti l’uso della fusione del letto di polvere nella produzione di additivi, principalmente nel riutilizzo. Poiché la produzione additiva continua ad aumentare di popolarità per gli utenti industriali, i vantaggi diventano più evidenti: dalla capacità di creare geometrie complesse e ottimizzate all’utilizzo di un numero significativamente inferiore di materiali che sono più forti e più durevoli, ma leggeri. Come in genere, tuttavia, esistono delle sfide, come i tempi di elaborazione lenti.

“Le opportunità per Metal AM di essere utilizzate per la produzione di componenti con applicazioni critiche hanno reso necessaria una maggiore comprensione del processo”, affermano gli autori.

Durante il processo di fusione del letto di polvere EBM, le caratteristiche e la qualità della polvere sono fondamentali in quanto viene depositato, sinterizzato e fuso in sequenza. Ci sono gli ovvi benefici del riutilizzo della polvere per ridurre gli sprechi di materiali, ma gli effetti sulle proprietà meccaniche delle parti sono preoccupanti – e un’area che gli autori sottolineano non è stata ancora completamente studiata – e quando lo è, i cicli di riutilizzo hanno comportato “tempi di esposizione relativamente bassi della polvere durante il processo di costruzione”.

“Ci sono molte preoccupazioni che devono ancora essere affrontate nel riutilizzo delle polveri per il metallo AM”, affermano i ricercatori, sottolineando la necessità di un’analisi della microstruttura delle parti.

Studiando il riutilizzo delle polveri nell’EBM AM di Ti6Al4V, gli autori hanno eseguito 30 cicli di costruzione. Hanno anche studiato quanto segue:

Trasformazioni nella chimica delle polveri
Distribuzione granulometrica con riutilizzo
Effetti sulla parte metallica costruita
“La novità di questa indagine sul riutilizzo della polvere sta nel gran numero di cicli di riutilizzo raggiunti per EBM AM, nella valutazione approfondita della polvere che è stata eseguita e nella valutazione complementare della microstruttura della parte”, hanno affermato gli autori.

Dettagli dei campioni fabbricati. (a) Diagramma schematico delle parti e loro distribuzione in ogni build. Le parti di ciascuna costruzione includono (A) sei campioni a trazione piatta orientati orizzontalmente e (B) sei (ASTM E08M), una scala orientata verticale e orizzontale (C), un piccolo cilindro (D) e (E) una piramide a gradini cilindrici . (b) geometria dei campioni di scala e (c) campione di piramide che mostra le dimensioni e le posizioni pertinenti dell’analisi microstrutturale ripetuta come evidenziato dai quadrati.

È stata utilizzata la lega di titanio di grado 5 (Ti6Al4V), con le 30 build eseguite nell’arco di sei mesi su un sistema ARCAM A2X Electron Beam AM , da ‘b1 per la prima build eseguita con 50 kg di polvere vergine e successivamente fino a b30 per la build finale .’

Microfotografia della microstruttura “as-built”. a) grani β anteriori con confini delimitati da frecce rosse. (b) Il metodo di intercettazione della linea impiegato per determinare la precedente larghezza colonnare del grano β. (c) Micrografia della microstruttura as-built con nervature β evidenziate e assicelle α.

Durante lo studio e le costruzioni in corso, il team di ricerca ha notato che le particelle sono cambiate in dimensioni e che sia la struttura della superficie che la morfologia sono cambiate anche quando la polvere è stata riutilizzata.

Progressione della dimensione e della morfologia della polvere attraverso il processo di riutilizzo. (a) Nella polvere vergine (b1), le superfici delle particelle sono relativamente lisce e presentano un’elevata sfericità. Esistono numerose piccole particelle che si agglomerano o aderiscono alla superficie di particelle più grandi. Le viste rappresentative della polvere in b7, b10 e b20 in (b) – (d), rispettivamente, mostrano la progressione del danno alla superficie delle particelle e l’assenza di particelle minuscole. In b30 (e), le particelle sono irregolari con alcune che presentano grandi deformazioni e danni.

Esempi di particelle danneggiate in polvere di b1, b14 e b30. Vengono mostrati esempi di campioni di (a) fratturati, (b) agglomerati / fusi e (c) particelle fuse / irregolari, rispettivamente. In generale, particelle di questi tipi sono state trovate nella polvere di tutte le build valutate da SEM.

In questo studio sono stati utilizzati campioni di scale e parti piramidali per esaminare in che modo il riutilizzo della polvere ha influenzato la microstruttura Ti6Al4V stampata. Entrambi i campioni sono stati sezionati e montati durante la valutazione, lucidati, quindi incisi per immersione.

“Nel confrontare le risposte per le due geometrie, la differenza principale nella microstruttura tra le piramidi e le scale è la più ampia diffusione del volume alfa e dello spessore delle assicelle nella piramide, insieme all’aumento dello spessore delle alette alfa con il riutilizzo della polvere”, hanno affermato i ricercatori in discussione.

Precedenti dimensioni del grano β per la piramide (a) e la scala (b).

“Uno dei cambiamenti più marcati nella polvere con il riutilizzo è stato l’aumento della deformazione superficiale delle particelle e del danno fisico. Le particelle hanno cambiato forma con cicli di riutilizzo dalla geometria sferica a deformarsi sempre più con fossette di superficie e forma irregolare “, hanno concluso i ricercatori. “Questo aspetto del degrado delle polveri sembra derivare dagli aspetti meccanici del processo di riciclaggio e di estrazione delle parti. Inoltre, vi è stato un aumento delle particelle fratturate, delle particelle parzialmente fuse e delle particelle di rifusione con il riutilizzo della polvere “.

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