TC4 티타늄 합금은 내식성, 높은 비강도, 우수한 인성 및 우수한 생체 적합성으로 인해 항공 우주, 화학, 생물 의학 및 기타 중요한 분야에서 널리 사용됩니다. 그러나 전통적인 공정에 따라 TC4 티타늄 합금을 가공하면 재료 활용도가 낮고 제조 비용이 높으며 변형이 어렵다는 단점이 있어 TC4 티타늄 합금의 대중화 및 적용이 심각하게 제한되며 3D 프린팅 기술의 출현으로 이러한 상황이 개선될 것입니다. .
학명이 적층제조(Additive Manufacturing)인 3D 프린팅은 1990년대 쾌속조형 기술에서 유래됐다. 절삭 가공과 달리 이산/적층 원리를 사용하고 컴퓨터 기술을 사용하여 특정 두께의 일련의 얇은 조각으로 절단된 3D 솔리드 모델의 부품을 처리합니다. 데이터 분석 및 연속 가공 처리를 위한 3D 프린팅 장비입니다. 각각의 얇은 조각을 가공하고 쌓아 올려 조밀한 고체 부품을 형성합니다. 3D 프린팅 기술은 모든 형상의 부품 가공에 적합하며 재료 활용도가 높고 비용이 저렴합니다. 3D 프린팅 기술은 모든 형상의 부품 가공에 적합하며 재료 활용도가 높고 비용이 저렴하며, 높은 유연성과 높은 통합성은 특히 TC4 티타늄 합금 성형에 적합합니다. 3D 프린팅 기술에는 주로 선택적 레이저 용융 및 성형 기술(SLM(Selective Lasermelting)), 레이저 공학적 그물 성형 기술(LENS(Laser Engineered Net Shaping)), 전자빔 용융 및 성형 기술(EBM)이 포함되는데, 이는 업계에서 가장 진보된 기술인 전자빔 용해(EBM) 그 중 EBM 성형은 다른 두 가지 성형 기술에 비해 많은 장점을 가지고 있습니다: (1) EBM 성형은 전자빔을 에너지원으로 사용하므로 제조 공정에서 반사가 없습니다. (2) EBM 성형은 진공 환경에서 수행되므로 공기 중 다른 요소의 오염을 효과적으로 피할 수 있습니다. (3) EBM 성형은 높은 에너지 투입으로 인해 다른 성형 기술보다 효율적입니다. (4) EBM 성형은 높은 에너지 입력과 빠른 주사 속도로 인해 다른 성형 기술보다 효율적입니다. (5) EBM 성형은 다른 성형 기술보다 효율적입니다. (4) EBM 성형 부품은 잔류 응력이 적고 후속 열처리가 필요하지 않아 에너지가 절약됩니다.
이 논문은 EBM 기술의 원리에서 시작하여 국내외 관련 연구 결과를 요약하고 다양한 공정 매개변수 하에서 EBM으로 성형된 TC4 티타늄 합금 부품의 미세 구조, 결함 및 기계적 특성을 설명하고 마지막으로 응용 전망을 기대합니다.
1.EBM의 원리와 주요 매개변수
우선, Magicsl9.0 소프트웨어는 부품의 3D 모델을 특정 두께에 따라 슬라이스하고 레이어하여 부품의 전체적인 2차원 정보를 얻습니다. 그런 다음 EBM 시스템은 합금 분말을 특정 두께에 따라 기판에 균일하게 확산시키고, 텅스텐 필라멘트를 열원으로 하는 전류에 의해 형성된 전자빔으로 기판 위의 합금 분말을 스캔하여 녹입니다. 초점 코일과 전자기 편향 코일. 전자 빔의 각 주사 용융 층은 층 높이를 떨어뜨린 다음 분말을 다시 놓고, 전자 빔을 주사 용융 과정을 반복하며, 처리된 각 층은 서로 응축되어 전체로 됩니다. 전체 제조 공정은 진공 환경에서 수행되므로 가공 중 티타늄 합금의 산화 가능성을 효과적으로 방지합니다. 제작 후 EBM 시스템은 빌드 챔버에서 부품을 제거하고 고압 공기를 사용하여 부품 표면에 부착된 분말을 제거하는 분말 회수 시스템(PRS)에 배치하여 표면이 매끄러운 성형 부품을 만듭니다. .
EBM 기술의 주요 매개변수는 전자빔 전류, 가속 전압, 주사 속도, 층 두께, 주사선 간격, 초점 보상 등입니다. 전자빔 전류를 증가시키는 등 이러한 매개변수를 조정하여 다양한 에너지 밀도를 얻을 수 있습니다. 또는 스캐닝 속도를 줄이면 더 높은 에너지 밀도를 얻을 수 있습니다. 에너지 밀도의 크기는 성형 부품의 미세 구조, 결함 및 기계적 특성에 큰 영향을 미치며 적절한 에너지 밀도는 합금의 기계적 특성을 향상시킵니다. EBM 기술의 독특한 성형 공정으로 인해 EBM 성형 TC4 티타늄 합금 성형 부품의 미세 구조 및 기계적 특성은 기존 방식으로 제조된(예: 단조) TC4 티타늄 합금 성형 부품의 특성과 다릅니다.
2.TC4 티타늄 합금 미세 구조 및 결함을 형성하는 EBM
2.1 TC4 티타늄 합금 미세구조를 형성하는 EBM과 영향인자
성형 공정에서 EBM 성형 TC4 티타늄 합금의 온도 변화는 미세 구조에 영향을 미칩니다. 우선, 전자빔의 작용으로 분말이 녹고, 액체 합금 온도가 약 1700도에 도달하는데, 이는 TC4 티타늄 합금의 상전이 온도(995도)보다 훨씬 높은 수치입니다. 합금은 원래의 입자로 구성됩니다. 그리고 전자빔이 떨어져 있는 상태에서 액체 합금은 급속히 냉각되어 빌드 온도(일반적으로 650-700도)로 안정을 유지하고 고체 상태가 되며, 이 때 합금은 → + 를 거치게 되며, 침상상의 침전. 침상상과 원주상의 침전. A1-Bermani et al. 410도/s보다 큰 냉각 속도의 이 단계에서는 고온 환경에서 장시간 동안 불안정한 '마르텐사이트'가 석출되고 +층 구조가 분해되며 대부분의 미세한 침상 라스와 작은 조각이 침전될 것으로 생각됩니다. 단계의 일부. TC4 티타늄 합금의 성형 온도를 실온으로 서서히 냉각시킨 후 합금 미세 구조는 크게 변하지 않았으며 여전히 +상으로 구성되어 있습니다. 그림 2와 같이 EBM 성형 TC4 티타늄 합금 및 TC4 티타늄 합금 미세 구조의 단조 성형.
EBM 성형 TC4 티타늄 합금 미세 구조에 대한 국내외 학자들은 많은 연구를 수행하여 성형 공정 매개 변수, 성형 부품의 위치, 성형 부품 크기 및 기타 요인이 성형 공정에서 합금의 냉각 속도에 영향을 미친다는 사실을 발견했습니다. 이는 결국 입자 크기의 크기에 영향을 미칩니다. Hrabeet al. TC4 티타늄 합금 분말이 완전히 녹아 조밀한 부품을 형성할 수 있도록 에너지 입력이 이루어질 수 있도록 보장하는 조건에서 전자빔을 적절하게 증가시키면 스캔 속도가 용융 풀 크기를 감소시키고 냉각 속도를 감소시키는 것으로 나타났습니다. 증가하여 더 미세한 슬레이트 및 상이 침전됩니다. Murr et al. 및 Wanget al. EBM으로 형성된 TC4 티타늄 합금의 미세 구조가 위치에 따라 다르다는 것을 발견했습니다. 도 3에 도시된 바와 같이, 증착 높이가 낮은 위치는 몰딩 기판에 더 가깝기 때문에 냉각 속도가 더 빠르고 불안정한 성장 영역이며 미세한 침상 상이 침전되기 쉽습니다. 라스 위치의 증착 높이가 높을수록 두껍고 입자가 커집니다. 특정 높이 이상 퇴적하면 라스는 안정적인 성장 영역에 있고 입자 크기도 안정화되는 경향이 있습니다. 왕 외. 또한 EBM으로 형성된 TC4 티타늄 합금의 미세 구조에 대한 성형 부품 크기의 영향을 조사한 결과, 층별 용융 및 응고 과정에서 작은 샘플의 냉각 속도가 더 빨라서 더 미세하게 석출된다는 사실을 발견했습니다. -phase.Galarragaet al. 추가 조사를 통해 EBM으로 형성된 TC4 티타늄 합금의 미세 구조 변화는 건물 챔버 내 체류 시간과 관련이 있으며 체류 시간이 너무 길어 건물 챔버에서 더 낮은 높이와 더 높은 미세 구조가 증착되는 결과를 가져온다는 사실을 발견했습니다. 침전 높이의 바닥. 높이가 낮을수록 미세 구조가 더 거칠어집니다.
2.2 TC4 티타늄 합금의 EBM 성형 결함
공정 매개변수의 부적절한 선택이나 공정 간섭으로 인해 TC4 티타늄 합금 부품의 EBM 성형은 다양한 결함을 일으킬 수 있습니다. Zhaiet al. TC4 티타늄 합금의 EBM 성형 미세 구조에는 두 가지 전형적인 결함이 있음을 발견했습니다. 하나는 결함이 있는 분말에 포획된 아르곤 가스로 인해 발생하는 다공성입니다. 다른 하나는 합금 분말의 용융 불량으로 인한 다공성입니다.
Gong et al. 는 입력 전자빔 에너지 밀도 수준에 따라 TC4 티타늄 합금 결함을 두 가지 주요 범주로 분류했습니다. 에너지 밀도가 너무 낮으면 용융 풀과 용융 풀, 층과 층을 완전히 연결하는 것만으로는 충분하지 않아 일정량의 다공성을 동반하는 불규칙한 용융 결함이 형성됩니다. 에너지 밀도가 너무 높으면 국부적인 열이 급격히 상승하고 표면 장력의 풍선 현상(분말의 열전도율이 낮음) 작용으로 분말이 녹아 기공이 형성됩니다. Kahnertet al. 에너지 입력이 너무 높으면 성형 부품의 표면 품질이 악화될 뿐만 아니라 심각한 경우에는 분체 코팅 시스템의 타겟팅 기계가 작동을 멈추고 중단해야 한다는 사실을 발견했습니다. 제조 과정 자체. 또한, 전자빔 전류가 특정 임계값을 초과하면 합금 분말이 날아가서 층에 불규칙한 기공이 남게 되고, 심한 경우에는 그림 5에 표시된 것처럼 전체 분말층이 붕괴됩니다. 접착력을 향상시키고 합금 분말에 대한 전자빔의 추진력을 극복하기 위해 분말 베드를 예열하면 분말 붕괴의 발생을 피할 수 있습니다. 결함은 C4 티타늄 합금의 기계적 특성에 부정적인 영향을 미치며 결함 발생을 줄이기 위해 스캐닝 속도 제어, 스캐닝 라인 간격 조정, 전자빔 전류 최적화 등 EBM 공정 매개변수를 최적화해야 합니다.
3. EBM 성형 TC4 티타늄 합금의 기계적 성질
3.1 EBM 성형 TC4 티타늄 합금의 인장 특성
브루노 등. EBM 형성 TC4 티타늄 합금은 성형 공정 중에 기공 결함이 발생하기 쉽고 미세 구조 분포가 균질하지 않아 가장 높은 인장 및 항복강도는 각각 996 MPa와 919 MPa로 단조 성형된 TC4 티타늄 합금의 항복강도(1034 MPa와 991 MPa의 인장강도와 항복강도)보다 약간 낮습니다. 왕 외. 각각 1034MPa, 991MPa의 항복 강도:); 왕 외. 또한 EBM 성형 TC4 티타늄 합금의 인장 특성을 연구한 결과 인장 강도는 1002MPa, 항복 강도는 932MPa, 연신율은 14.4%로 모두 어닐링 및 시효 처리 후 TC4 티타늄 합금 단조품보다 높았습니다. .
EBM 성형 TC4 티타늄 합금의 기계적 특성에는 상당한 이방성이 존재합니다. Bruno et al. 그리고 Hrabe et al. EBM 성형 샘플의 수평 방향 인장 강도는 수직 방향의 인장 강도보다 강하고, 성형 샘플의 수평 방향 연신율은 수직 방향의 연신율보다 작은 것으로 나타났습니다. 이는 합금 내 B 입자의 불균일성 때문입니다. 성형된 샘플은 주로 수직 방향으로 성장합니다. 수평 방향으로 더 작은 기본 결정립이 형성되면 결정립계에서 응력 축적이 줄어들어 균열 시작이 지연되고 연신율이 약간 더 커집니다.
Hrabeet al. 전자빔 스캐닝 속도(에너지 밀도와 음의 상관관계)가 증가하면 슬레이트 두께가 약간 감소하고(1.16 μm → 0.95un) 인장 강도가 증가한다는 사실을 발견했습니다. 강도, 항복강도, 미세경도가 각각 2%, 3%, 2% 향상되었습니다.
Formanoiret al. EBM 성형 TC4 티타늄 합금은 수냉식과 공냉식 두 가지 냉각 방법을 사용하여 950도에서 60분, 1040도에서 30분 동안 유지되었으며, 합금의 인장 강도와 항복 강도는 약간 감소했으며 연신율은 크게 증가하지 않았습니다. EBM 성형의 주요 매개변수를 제어하는 것만으로도 합금 성능을 향상시키는 효과적인 방법임을 나타냅니다.
3.2 EBM 성형 TC4 티타늄 합금의 피로 특성
Chan et al. 600MPa(±10%)의 교번 굽힘 응력 하에서 EBM 성형 TC4 티타늄 합금과 압연 TC4 티타늄 합금의 피로 수명(사이클 수)을 테스트했습니다. 결과는 EBM 성형 TC4 티타늄 합금의 피로 수명이 압연 합금 피로 수명의 17%에 불과하다는 것을 보여줍니다. EBM으로 형성된 TC4 티타늄 합금의 파괴는 잘 녹지 않은 영역으로 인해 다양한 기공 모양으로 분포되어 있으며 표면 거칠기는 압연 TC4 티타늄 합금의 표면 거칠기보다 훨씬 높으며 이는 피로 수명이 낮은 중요한 이유입니다.
Tammas-Williamset al. 열간 등방압 처리는 EBM 형성 TC4 티타늄 합금의 기공 대부분을 효과적으로 제거할 수 있지만 일부 터널링 구멍이 샘플에 존재하고 표면에 연결되면 HIP 처리된 고압 아르곤 가스가 내부로 침투한다는 사실을 발견했습니다. 터널링 구멍으로 인해 이러한 터널링 결함이 약간 확장되어 HIP 처리가 실패하게 됩니다. HIP 이전에 샘플에 코팅을 추가하면 터널링 결함을 제거할 수 있습니다. Shuiet al. EBM 성형 TC4 티타늄 합금의 HIP 처리 후 슬랫이 두꺼워지더라도 전위 밀도가 감소하고 인장 강도 및 항복 강도가 각각 870MPa 및 788MPa에서 819MPa 및 711MPa로 감소하는 것으로 나타났습니다. 조직을 보다 균질하게 만들고 합금의 상대밀도를 99.3%에서 99.8%로 증가시켜 균열 발생 원인을 감소시키고 결과적으로 피로강도를 460 보아에서 580 MPa로 증가시킵니다.
4.결론
요약하면, TC4 티타늄 합금을 형성하는 EBM에 대한 국내외 연구 결과는 다음과 같습니다. TC4 티타늄 합금을 형성하는 EBM은 건축 방향을 따라 주상 결정의 성장을 위한 거시적 조직, + 층상 구조의 미세 구조, 냉각 속도가 빠를수록, 더 미세한 미세구조를 얻는 것이 더 쉽습니다. 공정 매개변수의 최적화를 통해 EBM은 최고의 에너지 밀도를 갖게 되며, 이는 많은 수의 결함 발생을 효과적으로 방지할 수 있습니다. 후속 HOP 처리는 또한 기공을 제거하고 미세 구조를 균질화할 수 있어 결정립 조대화, 낮은 전위 밀도 및 합금 강도의 약간 감소로 이어지지만 피로 특성을 크게 향상시킵니다. 적절한 후속 처리로 보완된 EBM 성형 공정 매개변수의 최적화는 비슷한 성능을 지닌 TC4 티타늄 합금의 기존 주조 및 단조를 통해 얻을 수 있습니다. EBM은 원자재를 절약하고 빠르고 효율적이며 복잡한 형상의 공작물을 쉽게 형성합니다. 항공우주, 화학, 의료 분야에서 사용되는 현재의 절삭 가공 방식을 점진적으로 대체할 것입니다.
