توصيفگر ها :
ساخت افزايشي , ذوب انتخابي بستر پودر با ليزر , آلياژسازي درجا , انجماد سريع , تيتانيوم , معادله تحليلي رزونتال
چكيده فارسي :
روش¬هاي ساخت افزايشي از جمله فناوري‌هاي نوظهوري هستند كه در آنها توليد قطعات بهصورت لايه لايه از روي مدل¬هاي سه بعدي رايانه‌اي انجام مي¬شود. روش ذوب بستر پودر با ليزر (LPBF)، كه در آن پرتوي ليزر قسمت‌هاي مشخصي از يك بستر پودر از پيش آماده شده را ذوب مي‌كند، يكي از روش‌هاي اصلي ساخت افزايشي قطعات فلزي است. با توجه به در دسترس نبودن و هزينه بالاي پودرهاي آلياژي با تركيب دلخواه، مطالعه توليد درجاي آلياژها به¬روش ساخت افزايشي با استفاده از پودر عناصر تشكيل دهنده آنها، امري مهم و ضروري است. متفاوت بودن خواص نوري، حرارتي و ترموفيزيكي اجزاي تشكيل دهنده آلياژ، چالش‌هايي را در مسير آلياژسازي درجاي موفق ايجاد مي‌كند. از اين‌رو براي دستيابي به آلياژي همگن با خواص مطلوب، شناخت و بررسي اين پديده‌ها و عوامل موثر برآن‌ها، نظير توان ليزر وسرعت روبش ليزر، بسيار با اهميت است. همچنين رخداد انجماد به صورت سريع وجود شيب دمايي بسيار زياد، تشكيل دانههاي ستوني و بافت قوي، از مشكلاتي است كه در قطعات ساخت افزايشي به چشم مي‌خورد. در اين راستا، افزودن عناصر آلياژي با هدف ايجاد تحت تبريد تركيبي و بهبود شرايط براي تشكيل دانههاي هممحور انجام مي‌گيرد. از طرفي، ساخت درجاي آلياژهاي تيتانيوم، به دليل داشتن خواص مكانيكي، خوردگي و زيستي مناسب، مورد توجه بسياري از پژوهشگران بوده است. افزودن عنصر مس به تيتانيوم نه تنها منجر به بهبود خواص خوردگي و زيستي تيتانيوم مي‌شود، ريزساختار ستوني تيتانيوم را به هممحور تبديل كرده و منجر به بهبود خواص مكانيكي اين آلياژ مي‌شود. با اين‌حال، پژوهش‌هاي بسيار اندكي به بررسي آلياژسازي درجاي تركيب Ti-Cu پرداختهاند. از اين رو در پژوهش حاضر آلياژهاي Ti-5wt.%Cu بهصورت درجا به‌روش LPBF ايجاد شده و علاوه بر بررسي ريزساختار، تاثير پارامترهاي فرايند ساخت بر ريزساختار و ميزان موفقيت آلياژسازي مورد بررسي قرار گرفت. براي بررسي تاثير عنصر B در كنار عنصر Cu،آلياژ -0.1wt.%B Ti-1wt.%Cu نيز به همين روش توليد و بررسي شد. ريزساختار نمونه‌هاي توليد شده به‌وسيله ميكروسكوپ نوري و الكتروني مطالعه شد و تغييرات ريزساختاري و فازهاي موجود در آلياژها با استفاده از روش پراش پرتوي ايكس مورد بررسي قرار گرفت. با توجه به درنظر گرفته نشدن خواص ذاتي ماده در رابطه چگالي انرژي حجمي، رابطه‌ي جديدي تحت عنوان انرژي موثر (Eeff) مبتني بر ضريب نفوذ حرارتي و دماي ذوب، ارايه شد. معادله تحليلي روزنتال نيز براي بررسي ابعاد حوضچه مذاب و نحوه ذوب شدن اجزاي آلياژ در نمونه‌ها مورد استفاده قرار گرفت. نتايج نشان داد كه ساخت درجاي آلياژهاي Ti-5wt.%Cu و -0.1wt.%B Ti-1wt.%Cu به‌روش LPBF امكان‌پذير است. عليرغم اختلاف نظرهاي موجود در بين پژوهشگران، نتايج اين پژوهش نشان داد كه افزايش چگالي انرژي ورودي منجر به بزرگتر شدن حوضچه مذاب و كاهش سرعت سرد شدن آن مي¬شود. اين امر در نمونه‌هاي Ti-5wt.%Cu موجب كامل‌تر شدن فرايند آلياژسازي و افزايش ميكروكرنش شبكه بلور آلياژ در مقادير چگالي انرژِي بالاتر شد. نتايج، اهميت انتخاب اندازه پودر عناصر بر اساس ويژگي‌هاي حرارتي و نوري، خصوصا ضريب جذب و ضريب هدايت حرارتي آنها را تاييد نمود. براساس مشاهدات ريزساختاري و شبيه‌سازي، سازوكاري براي ذوب مخلوط Ti و Cu در اثر پرتوي ليزر در شرايط پژوهش حاضر پيشنهاد شد كه براساس آن ابتدا ذرات تيتانيوم ذوب شده و سپس ذرات مس در مذاب ايجاد شده ذوب و حل مي‌شود. افزودن عنصر Cu و B، هردو منجر به هممحور شدن برخي از دانه¬هاي بتاي اوليه شد. اندازه ميانگين اين دانه‌ها در نمونه -0.1wt.%B Ti-1wt.%Cu ، µm 7 اندازه گيري شد. براساس محاسبات مبتني بر نمودار سرد شدن آلياژها، مقدار فاكتور محدود كننده رشد (Q) براي آلياژها محاسبه شد. اين عدد براي آلياژهاي Ti-5wt.%Cu و -0.1wt.%B Ti-1wt.%Cu به ترتيب K 53/35 و K 15 بدست آمد. براساس محاسبات، بيش از 50% اين اثر در آلياژ دوم ناشي از افزودن عنصر B بود. براساس مشاهدات ريزساختاري، الگوي روبش تاثير بسزايي بر ميزان موفقيت آلياژسازي داشت. به ويژه انجام فرايند ذوب مجدد درصد نواحي غني از تيتانيوم را تا حدود 98% درصد كاهش داد. همچنين براي اولين بار فاز تيتانيوم آلفا با شكل دوگانه كروي و كشيده در كنار فاز يوتكتوئيد غيرلايه‌اي مشاهده شد.
چكيده انگليسي :
Additive Manufacturing is an emerging technology where the products are manufactured layer-by-layer according to their CAD models. The laser Powder Bed Fusion (LPBF) method, where a laser beam is employed to melt an already spread powder layer selectively, is one of the AM methods used to produce metallic components. Considering the limited access to alloyed powders with desired chemistry and their cost, studying the use of elemental powders mixture instead of pre-alloyed powders seems necessary. Differences between the optical, thermal and thermophysical properties of the alloy’s constituents is a challenge for in-situ alloying using AM methods. Furthermore, formation of highly textured samples with large columnar grains spanning across several building layers of samples is another important issue observed in AM works. Hence, adding alloying elements to induce a constitutionally supercooled zone ahead of the solidification front to facilitate the formation of equiaxed grains seems a promising solution. On the other hand, in-situ alloying of Ti-based alloys has been of great interest to numerous past research works, thanks to their suitable mechanical and corrosion properties. Among the alloying elements, Cu not only strongly promotes the formation of equiaxed beta grains in Ti but also enhances the alloy’s corrosion and biological properties. Only two studies have previously addressed the effect of Cu addition to Ti during AM processes. Hence, in this study, Ti-5wt.%Cu alloys were in-situ produced using the LPBF method, and the success of in-situ alloying and the effects of processing parameters on the solidification microstructure were investigated. Boron, a strong promoter of equiaxed beta grains in Ti, was added along with Cu to produce Ti-1wt.%Cu-0.1wt.%B samples. Also, since the materials main properties are not considered in the commonly used volumetric energy density parameter, a new effective energy (Eeff) parameter was introduced where the thermal diffusivity and the melting point of the materials are also considered. The results showed that in-situ alloying of Ti-5wt.%Cu and Ti-1wt.%Cu-0.1wt.%B alloys using the LPBF method was possible. It was also shown that the increase in the volumetric energy density led to the increase in the melt pool size, reducing its cooling rate. The increase in the input energy facilitated the in-situ alloying of Ti-5wt.%Cu and increased the lattice micro-strain. A mechanism for the melting sequence of Ti and Cu mixture was suggested based on the microstructural observations and simulations in the current working situation, which demonstrated that Ti was melted first, followed by the melting of Cu in the Ti melt pool. The addition of alloying elements transformed the grains into equiaxed form. The growth restriction factor (Q) was calculated based on the solidification curves of the alloys, which yielded 35.53 and 15 K for Ti-5wt.%Cu and Ti-1wt.%Cu-0.1wt.%B alloys, respectively. According to such calculations, in the B-containing alloy, more than 50% of Q was the result of B addition. Based on the microstructural observations, it was further shown that scan strategy had a vital effect on the success level of in-situ alloying. More specifically, the re-melting process reduced the Ti-enriched area by 98%. For the first time, alpha titanium with dual lath and spherical morphology was observed along with the non-lamellar eutectoid phase.
