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干货|EBM电子束熔融金属增材制造的特征及未来

发布日期: 2017/07/24 访问次数:3732 分享到:

关于使用EBM电子束熔融设备, 平均直径为 60μm 的 Ti-6Al-4V 钛合金粉末的增材制造:

1. 电流对成型件表面粗糙度的影响;

2. 成型件尺寸对硬度的影响;

3. 成型件高度对尺寸精度的影响;

4. 成型件的表面特性;

5. 成型件的拉伸特性;

6. 增材制品的成形范围举例;

1. 电流对成型件表面粗糙度的影响

图1 所示为轮廓电流大小的影响。 制作 20mmx20mmx20mm 的立方体, 熔融实体所用的电流固定为 11mA, 轮廓电流值设置为 4mA 和15mA 两种情况。 与 15mA 比较起来, 4mA 条件下的成型件表面更光滑。 实体的表面粗糙程度调查结果显示, 最低点与最高点间相差 250μm。 但是, 电流值对成型件表面所造成的这个影响是无法用肉眼观察到的。 图2 所示为实体电流大小的影响。 熔融轮廓所用的电流固定为 8mA, 实体电流设置为 5mA、 19mA 和 25mA 三种进行比较。 可以看出, 相较 25mA, 5mA 和 19mA 条件下的成型件表面更为光滑。 由此可以判断, 热量值不合适会导致粉末不完全溶解, 成品质量不佳。 选择正确的实体电流, 不仅能使产品表面光滑, 内部质量也更佳。

图1. 轮廓电流大小对成型件表面粗糙度的影响

图2. 实体电流大小对成型件表面粗糙度的影响

2. 成型件尺寸对硬度的影响

图3 所示为成型件高度对硬度影响。 成型件底面积固定为 10mmx10mm, 高度有 2、4、6、10、80、120mm 几个变化值, 中央(高度的中间位置) 在热处理前的维氏硬度一律为 330HV, 与高度无关。图4 所示为成型件体积对硬度的影响。 成型件高度固定为 20mm,边长有2、5、10、30mm 几个变化, 成型件中央在热处理前的维氏硬度一律为 330HV, 与体积无关。

图3. 成型件高度对硬度的影响

图4. 成型件体积对硬度的影响

3. 成型件高度对尺寸精度的影响

图5 所示为成型件设计高度对实际高度的影响。 底面积固定为10mmx10mm,高度经 2、4、6、10、20、80、150mm 几个变化值。 成型件高度有所上升, 实际高度与设计高度相差不大,150mm 的高度实际低了 1.2mm。 这要考虑到一次金属粉末溶解时伴随的凝固收缩量的影响。 图6 所示为成型件高度对边长的影响。 成型件形状与图5 相同。 成型件高度大于 20mm 时, 边长误差一律小 0.1mm, 与高度无关。 高度和边长通过游标卡尺测量。

图5. 成型件设计高度对实际高度的影响


图6.成型件高度对边长的影响

4. 成型件的表面特性

图7 所示为钛压延材料和金属粉末增材 Ti-6Al-4V 合金材料在 25℃ 的 3.5%浓度盐水中浸泡 10 天的情况。 实验材料片的面积为 45x90。 金属粉末增材材料和压延材料一样,没有重量变化, 表面也未被腐蚀。 该图未显示的是, 两块材料的外观均为金黄色。增材材料的颜色受到影响。


图7. 3.5%盐水溶液的浸渍腐蚀试验

5. 成型件的拉伸特性

图8 所示为增材制造加工方向对未经热处理的金属增材 Ti-6Al-4V 合金的拉伸特性的影响。进行了与加工方向同方向,成直角和成45°的拉伸实验之后, 结果显示拉伸强度和增材加工方向没有关系, 数值相同。 该数值是压延材料在普通情况下的同等数值。图9 所示为成型件的增材加工方向对未经热处理的金属增材 Ti-6Al-4V 合金的微观影响。 观察 0°成型件的颗粒组织, 与成型件加工方向成90°的拉伸过后的组织, 发现增材加工方向并未对拉伸特性造成很大影响。

图8. 增材制造加工方向对金属增材 Ti-6Al-4V 材料的拉伸特性的影响

图9 .增材加工方向对Ti-6Al-4V 合金的微观影响

6. 增材制品的成形范围举例

图10 所示为增材制造成品举例。 铸造、切削加工、锻造后的网孔状、格子状物体经3D数据后很容易成形。但是清除未溶解金属粉末对成形十分重要。未明确这个成形范围,对洞口直径、切口宽度的变化进行了调查。图11 所示为洞口直径及切口宽度有异的增材制造成型件的外观照片。洞口直径和切口宽度皆有 1,2,3,5mm 的大小差异。有切口的制品的切口宽度和未溶解粉末的清除与否没有关系, 而1mm、2mm的洞口轻易贯通了30mm的高度。

图10. 增材制造成品

图11. 洞口直径及切口宽度有异的增材制造成型件的外观

结论要点:

(1)经过EBM增材制造得到的产品, 如果工艺参数设置合理, 那么内部、 表面品质都具有非常好的特性。 例如, 即使未经热处理, 其拉伸特性和增材加工角度也无关系, 而且还显示了压延材料的性质。

(2)应用金属EBM增材制造技术时, 要注意增材方向上成型件高度的上升, 特别是凝固收缩值的问题。

(3)金属EBM增材制造得到的产品, 与普通压延材料一样有良好的抗腐蚀性。

(4)应用金属EBM增材制造技术时, 要注意讨论成品形状, 成本要求(不仅仅是成本) 下的机械特性、 物理特性、 与其他方法,其他合金的复合性,和其他工艺,其他合金的比较等多面问题。

(5)为扩大金属EBM增材制造的应用, 有必要对金属增材制造后的产品形状、成型件特性、机能等新用途进行开发。(来源:ArcamEBM增材制造)

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