EBSM Parametrelerinin Titanyumun Mikro Yapısı ve Yorulma Dayanımı Üzerindeki Etkisi

Elektron ışınıyla seçici eritme (EBSM) yönteminde, ışın enerjisi ve tarama hızı erime havuzunu ve soğuma hızını değiştirir; bu da Ti-6Al-4V martensitini, lameller fazları ve sertliği belirler. Üretim yönü, gözeneklilik ve son işlemler de yorulma davranışını etkiler. Aşağıda bildirilen çalışmalar, bu proses seçimlerini mikro yapı ve mekanik tepkiyle ilişkilendirmektedir.

İşlem Parametrelerinin Titanyum Mikro Yapısı Üzerindeki Etkileri

Bir çalışmada, parçacık boyutu 74-147 μm olan, gazla atomize edilmiş önceden alaşımlı Ti-6Al-4V tozu kullanılmıştır. S şeklindeki tarama yolu ve 0,1 mm'lik katmanlar, 10 mm kalınlığındaki 316L paslanmaz çelik levha üzerinde 20 mm × 20 mm × 8 mm boyutlarında numuneler üretmiştir. Ön ısıtma, tozun elektron ışını darbesine karşı direncini artırmış ve toz püskürmesini ve sıçramasını azaltmıştır. Levha, 10 m/s ve 20 mA değerlerinde 6 dakika boyunca ön ısıtmaya tabi tutulmuştur. Toz ön ısıtmasında, ışın akımı 1 mA'dan 20 mA'ya çıkarılırken 5 m/s hızında 20 tarama yapılmıştır.

Elektron ışınıyla seçici eritme yöntemi, malzemeyi katman katman oluşturur. Erimiş metal havuzu yüksek sıcaklığa ulaşır ve hızla soğurken, daha önce katılaşmış malzeme tekrar tekrar yeniden ısıtılır. Hızlı soğuma, β’yi metastabil ince iğne şeklinde α’ martensite dönüştürür. Ardından, termal döngü martensitin bir kısmını ince ve iri lameller α+β'ye ayrıştırır. X-ışını difraksiyonu, martensit ayrışmasını doğrulayan net bir β pikini gösterir. Nihai yapı, ince iğne şeklinde martensit, ince lameller α ve iri kısa lameller α içerir.

1. İlk katılaşma: sıvı → β.
2. Dönüşüm sıcaklığı boyunca hızlı soğutma: β → α’.
3. Sonraki katmanlar sırasında yeniden ısınma: α’ → α+β.

Enerji yoğunluğu P/v, martensitik bölgeyi ve ince lameller α’yı büyük ölçüde etkiler. Daha yüksek enerji, daha derin ve daha geniş bir havuz, daha yüksek bir martensitik bölge ve daha iri sütunlu ön-β taneleri oluşturur. İnce martensit, 300 °C’nin üzerinde güçlü bir şekilde ayrışır. Yeniden ısıtma sırasında daha yüksek enerji, Widmanstatten ve sepet örgüsü yapılarına doğru dönüşümü teşvik eder ve lameller α'yı irileştirir. Benzer enerji yoğunluğunda, daha yüksek tarama hızı soğuma hızını ve martensitik bölgenin yüksekliğini artırır.

• 0,24, 0,48, 0,72 ve 0,3, 0,6, 0,9 değerlerinde α’ plakalarının genişliği 0,1-1 μm idi, plakalar arasındaki β kalıntısı yaklaşık 20 nm idi ve martensitik bölge 7-10 katman yüksekliğindeydi. Ön-β sütunları 10-100 μm genişliğindeydi. Lameller α, 1-2 μm genişliğindeydi ve farklı yönelimde koloniler ile Widmanstatten yapısına özgü sürekli tane sınırı çökeltileri oluşturuyordu.
• 0,48, 0,96, 1,44 ve 0,6, 1,2, 2,4 P/v değerlerinde, martensitik bölge 22-25 katmana kadar genişledi. Prior-β sütunları 100-400 μm genişliğindeydi ve biriken tabakanın tamamını kesiyordu. Lameller α, 2-4 μm'ye irileşti ve Widmanstatten ile sepet örgüsü yapıları bir arada görüldü.

Üretim Yönü

Başka bir çalışmada, Arcam Q10 makinesinde 25-100 μm boyutlarında gazla atomize edilmiş küresel Ti-6Al-4V tozu kullanılarak, yatay plakaya göre 90°, 60°, 30° ve 0° açılarda 60 mm × 60 mm × 7 mm boyutlarında plakalar üretilmiştir.

90°, 60° ve 30° açılarda, ince iğne şeklinde α’ fazı, önceki β sütun sınırlarının her iki tarafında çökeldi ve iç içe geçmiş sepet örgüsü Widmanstatten yapısı oluşturdu. Açı azaldıkça martensit genişliği arttı. 0° plaka, ince iğne şeklinde α’ içermezdi. Bunun yerine, şerit benzeri α, ortak yönelimlerdeki uzun β tane sınırlarından çökeldi ve paralel koloniler oluşturdu. Bu 3-8 μm’lik α şeritleri, lamelar bir yapı oluşturdu. Açının azalması, hem katman başına taranan alanı hem de taban plakasıyla temas alanını artırarak soğuma hızını ve aşırı soğumayı düşürdü. Kristalleşme yavaşladı, α iğne şeklinden şerit şeklinde genişledi ve yapısal yoğunluk azaldı.

Üretim Alanı, Faz Oranı ve Sertlik

Bir üretim alanı çalışmasında, 40-105 μm boyutlu Ti-6Al-4V tozu (ağırlıklı olarak 70-80 μm) kullanılmış; ışın gücü 3.000 W, tarama hızı 1.000 mm/s ve katman kalınlığı 0,1 mm olarak belirlenmiştir. Biriktirme alanı 0,5π'den 12,5π mm'ye çıktıkça², SEM görüntülerinde parlak β matris alanının azaldığı ve koyu α alanının arttığı görüldü.

Mikrosertlik, 0,5π, 2,0π, 12,5π, 32π ve 50π mm’lik alanlara karşılık gelen kesitlerin çevresinde ölçüldü.². Sertlik, güçlendirici α'nın oranı arttıkça 0,5π'de yaklaşık 368 HV'den 50π'de yaklaşık 450 HV'ye yükseldi. Geleneksel yöntemlerle üretilen Ti-6Al-4V dökümlerinin sertliğinin yaklaşık 359 HV olduğu bildirilmiştir.

Sıcak İzostatik Presleme ve Yorulma

Gazla atomize edilmiş 50-100 μm Ti-6Al-4V tozu, hazne 730°C’de tutulurken 50 μm’lik katmanlar halinde biriktirildi. Bazı numuneler, 910 °C ve 100 MPa'da 2 saat süreyle sıcak izostatik presleme işlemine tabi tutuldu. 500 MPa gerilme ve R=0,1 gerilme oranı koşullarında eksenel çekme yorgunluğu testine tabi tutulan iki adet işlenmemiş numune, sırasıyla 29.863 ve 60.331 döngüye dayanabildi.

Sıcak izostatik presleme, çok daha iyi yorulma performansı sağladı. 600 MPa ve üzeri her seviyede beş numune test edildi; 575 ve 550 MPa seviyelerinde ise her birinde birer numune test edildi. Dağılım büyük kaldı: 750 MPa'da ömür iki mertebe farklılık gösterdi; 650 MPa'da iki numune 1 × 10⁷ döngü, bir tanesi ise 1,1 × 10'da başarısız oldu⁵.

SEM incelemesi, sıcak izostatik preslemenin üretim kusurlarını ortadan kaldırdığını göstermiştir. Çatlakların çoğu yüzeyde başlamıştır ve ömrü kısa olan tüm numunelerde çatlaklar yüzeyden başlamıştır. Yüksek döngülü yorgunluk testlerinde, geri dönüşümsüz döngüsel kalıcı kayma birikir, mekanik mikro çatlaklar oluşturur ve bunları bir yorgunluk çatlağına dönüştürür. Çatlak oluşumu genellikle toplam ömrün ’inden fazlasını tüketir.

σ'de_maksimum=750 MPa ve N_f=6,7 × 10⁴, çatlakta bir başlangıç bölgesi, yayılma bölgesi ve nihai aşırı yük bölgesi bulunmaktaydı. Yüzeydeki bir nokta kaynak, radyal izler oluşturmuştu. Yorulma çizgileri, çatlak büyümesine dikti ve yerel olarak kesintisiz ve paralel bir seyir izliyordu. Bu aşamada hesaplanan çatlak büyüme hızı 3,8 × 10^-7 m/s. Son kırılma noktasına geçişte, çizgiler ve çukurcuklar içeren karmaşık bir kırılma gözlendi; son bölgede ise kesme dudakları ve eşeksenli çukurcuklar görüldü.

Gözenekli Ti-6Al-4V Kafeslerin Yorulması

Li ve meslektaşları, 60%-85% gözenekliliğine sahip Ti-6Al-4V kafes dizilerinde sıkıştırma yorgunluğunu incelediler. Ortalama çapı 30 μm olan önceden alaşımlanmış toz, bir ARCAM sisteminde 650 °C’ye önceden ısıtıldı. Rombik-dodekahedron kafeslerin yoğunlukları sırasıyla 1,68; 1,12; 0,91 ve 0,73 g/cm³ idi.³, bu da 62,0%, 74,7%, 79,5% ve 83,5% gözeneklilik değerlerine karşılık gelmektedir. Basınç dayanımı, yoğunluk arttıkça artmıştır. Birçok metal kafesin aksine, diziler akma noktasından hemen sonra en yüksek gerilime ulaştı; bunu, daha sonraki sıkıştırma sırasında belirgin dalgalanmalar izledi.

Yorgunluk, kademeli gerilme birikimine ve kısalmaya neden oldu. Gerilme-döngü eğrisinde üç aşama vardı: ilk birkaç döngüde (N<100) hızlı birikim, düşük ve neredeyse sabit birikimin görüldüğü uzun bir dönem ve ani bir gerilme noktası N’den sonra hızlı birikim_c. N_c Gerilim arttıkça bu oran azaldı; dolayısıyla yaşam, esas olarak ikinci aşama tarafından yönlendiriliyordu. Kayma oranı dε/dN, uygulanan gerilime ve bağıl yoğunluğa karşı oldukça duyarlıydı; daha düşük uygulanan gerilim ve daha yüksek yoğunluk, daha düşük bir oran ortaya çıkardı.

Tüm yoğunluklarda benzer döngüsel davranış gözlemlendi. Histerezis döngüleri gerilme ekseni boyunca kademeli olarak kaydı; bu da döngüsel tırmanma olgusunu doğruladı. 1. ve 2. aşamalarda deformasyon homojendi. N'den sonra_c, yükleme yönüne 45° açıyla uzanan şiddetli bir ezilme şeridinde lokalize oldu. SEM kesme testleri, 1. aşamada morfolojide bir değişiklik olmadığını gösterdi; bunu, N yakınındaki destek çubuklarında çatlakların oluşması izledi_c, geniş çaplı çatlaklar ve kırılmış destek çubukları.

Gözenekli Ti2448’in Süperelastisitesi ve Yorulma Davranışı

Liu ve meslektaşları, elektron ışınıyla eritilmiş β tipi Ti2448’deki gözenekliliğin süperelastisite, Young modülü, basınç dayanımı ve yorgunluk özelliklerini nasıl etkilediğini araştırdılar. Ayrıca, tane yönelim bozukluğunu ve çatlak sapmasını da incelediler.

Süperelastisite, gözeneklilik ve çekme-basınç gerilimi oranı arttıkça artış gösterdi. EBSM işlemi, farklı boyutlarda taneler ve güçlü bir yönelim bozukluğu oluşturdu; yorulma çatlakları, sütunlu tane sınırlarında sapma gösterdi. Ti-6Al-4V ile karşılaştırıldığında, Ti2448, süperelastisite, çatlak ucunun önündeki daha geniş plastik bölge ve çatlak sapması nedeniyle daha yüksek normalize yorulma mukavemeti gösterdi.

Numuneler, 0,5%'lik adımlarla toplam 2%-3% gerinim değerlerine ulaşana kadar döngüsel tek eksenli sıkıştırma uygulandı. 67,9%, 77,4% ve 91,2% gözeneklilik değerlerinin tümü süperelastisite sergilemiştir. 3% deformasyonda, 91,2% gözenekli numune neredeyse tamamen geri kazanılırken, 67,9% numune sadece 0,5%'ye kadar geri kazanılmıştır. 3% basınç gerinimi değerinde, gerilmeler 67,9% gözeneklilik değerinde 35,8 MPa, 91,2% değerinde ise 7,2 MPa olarak ölçüldü. Maksimum çekme-basınç gerilme oranları sırasıyla 0,21 ve 0,27 idi. Daha yüksek gözeneklilikteki daha yüksek oran, süperelastikliği ve gerilme kapasitesini artırdı.