بررسي مكانيزم‌هاي انجمادي موثر در توليد در جاي آلياژهاي پايه تيتانيوم به روش ساخت افزايشي بر پايه بستر پودر

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي مواد

دكتري

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.

213866

مهندسي مواد

مهندسي مواد

دانشگاه صنعتي اصفهان

مهدي جوانبخت، عبدالله صبوري

محممود مرآتيان، احمد رضائيان، محسن حداد سبزوار

بهزاد نيرومند