Produkcja addytywna tytanu metodą laserową, wiązką elektronów i łukiem elektrycznym

Stopy tytanu łączą w sobie wysoką wytrzymałość właściwą, odporność na korozję oraz odporność na wysokie temperatury, jednak ich obróbka konwencjonalna jest kosztowna i trudna. W produkcji addytywnej elementy o kształcie zbliżonym do docelowego są wytwarzane warstwa po warstwie, co sprawia, że technologia ta jest atrakcyjna w przypadku skomplikowanych części stosowanych w przemyśle lotniczym i medycznym. Głównymi źródłami energii są lasery, wiązki elektronów i łuki elektryczne.

Laserowa produkcja addytywna

Selektywne topienie laserowe

W procesie selektywnego topienia laserowego wykorzystuje się skupioną wiązkę lasera do topienia kolejnych warstw proszku zgodnie z danymi modelu podzielonego na warstwy. Po zestaleniu się jednej warstwy platforma robocza opada, rozsypa się świeży proszek, a cykl się powtarza.

Parametry procesu, takie jak moc lasera, prędkość skanowania, grubość warstwy, odstępy między liniami skanowania oraz strategia skanowania, mają wpływ na gęstość, wady, naprężenia szczątkowe i teksturę. W badaniu dotyczącym stopu Ti-6Al-4V, przytoczonym w źródle, stwierdzono, że pełne wyżarzanie w temperaturze 840°C przez 2 godziny zmienia mikrostrukturę materiału po druku i poprawia jej jednorodność.

Laserowe nakładanie metalu

W procesie laserowego osadzania metalu proszek lub drut są podawane bezpośrednio do jeziorka stopu utworzonego przez laser. Metoda ta pozwala na tworzenie większych elementów oraz naprawę kosztownych komponentów, jednak dokładność osadzania i jakość powierzchni są zazwyczaj niższe niż w przypadku topienia w złożu proszkowym. Szybkie krzemienienie kierunkowe może powodować powstawanie gruboziarnistych, kolumnowych ziaren typu prior-beta oraz struktury typu „koszykowego”, jak pokazano w przypadku Ti-17.

Procesy laserowe zapewniają wysoką precyzję i efektywne wykorzystanie materiału, jednak ograniczeniami pozostają koszty proszku, naprężenia resztkowe, ograniczony rozmiar obiektu, stabilność procesu oraz konieczność obróbki końcowej.

Produkcja addytywna z wykorzystaniem wiązki elektronów

Technologia spawania proszkowego wiązką elektronową odbywa się w próżni i polega na wstępnym podgrzaniu złoża proszku, co ogranicza gradienty temperatury i naprężenia szczątkowe. Metoda ta doskonale nadaje się do stopów tytanu o wysokiej reaktywności i pozwala osiągać duże prędkości nanoszenia, choć jakość wykończenia powierzchni i dokładność wymiarowa są zazwyczaj niższe niż w przypadku spawania proszkowego wiązką laserową.

Źródło podaje, że stop Ti-6Al-4V wytworzony metodą spawania z wykorzystaniem łóżka proszkowego zachowuje dobrą plastyczność w temperaturach kriogenicznych, przy wydłużeniu wynoszącym około 20% w temperaturze 20 K i 29% w temperaturze 77 K, i wiąże to zachowanie z bliźniaczeniem odkształceniowym.

Produkcja addytywna metodą łuku elektrycznego

W technologii addytywnej z wykorzystaniem łuku elektrycznego i drutu jako materiału wkładowego stosuje się łuk elektryczny oraz drut jako materiał wkładowy. Wysoka szybkość osadzania i niski koszt materiału wkładowego sprawiają, że technologia ta nadaje się do produkcji dużych elementów konstrukcyjnych, jednak wiąże się ona z dużym wkładem cieplnym, mniejszą dokładnością wymiarową oraz może wymagać znacznej obróbki mechanicznej. Cykl termiczny może powodować powstawanie makroskopowych pasm i niejednorodnych mikrostruktur w osadach stopu Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V.

Który proces wytwarzania addytywnego tytanu wybrać?

Przyszłe prace będą koncentrować się na kompozytach z matrycą tytanową, stopach przeznaczonych do eksploatacji w temperaturach powyżej 600°C oraz wzmocnieniach w skali nano, takich jak TiB i TiC. Niezawodne monitorowanie, symulacja, kontrola wad oraz zasady projektowania dostosowane do konkretnych procesów będą miały kluczowe znaczenie dla szerszego zastosowania tych materiałów w przemyśle.