Additive manufacturing of Ni-based Superalloys- an analysis of parameter and strategy driven properties in Electron Beam Melting Process

Abstract

Additiva tillverkningsprocesser i metall ger avsevärt grövre ytor jämfört med smidda eller maskinbearbetade komponenter. Ytor tillverkade med as-EBM blir, med dagens teknik, extremt grova och följaktligen kan dessa komponenter inte användas direkt som kommersiella produkter. Den senaste forskningen har primärt fokuserat på djupt bearbetade (DM) prover. De mekaniska egenskaperna som rapporterats för dessa EBM-komponenter är således inte representativa för processen. Detta kan till stor del ifrågasätta de viktigaste fördelarna med EBM-processen: beställtryck och låg volymkvot mellan materialbit och komponent. Således var denna forskning utformad för att överbrygga detta forskningsgap samt systematiskt analysera egenskaperna hos slutformade (NS) och nära slutformade (NNS) komponenter.

Denna avhandling är indelad i tre nivåer bestående av grundläggande, validering och optimering. Det grundläggande forskningsarbetet har utförts på kommersialiserade processparametrar från Arcam och materialet Inconel 718 (IN718). NNS-proverna gjorda med och utan den kommersiella smältningsstrategin med flerpunktskontur har testats för utvärdering av mekaniska egenskaper. Dessa prover uppnådde jämnare ytor och bättre dragegenskaper. Således jämfördes de senare med NS- och DM-proverna vilka gjordes med samma parameterinställningar men olika bearbetningsdjup. Syftet med detta arbete var att testa NS- och NNS-proverna och analysera orsaken till brott. Det konstaterades för dessa provbitar att tidiga brott var kopplat till den porösa ytan och regionen nära ytan. Därför implementerades en bearbetningsprocedur upp i enlighet med djupet av den porösa regionen vilket teoretiskt kan förbättra draghållfastheten för de bearbetade proverna. Detta till en nivå som är jämförbar med smidda material. Utfallet med IN718 kunde även valideras för en annan superlegering, Inconel 625 (IN625). Resultaten visade återigen att bearbetningskravet för as-EBM-proverna med strategin för flerpunktskontur är mer än 2 mm. Därför utvecklades, optimerades och testades en ny kontureringsstrategi med syfte att eliminera bearbetningskravet. För att göra detta testades strategier med kontinuerlig kontur och olika energi, överlappningsförhållande och sekvens till regionen med fyllnadsläggning. Den kontinuerliga högenergi-konturen som applicerades efter fyllnadsläggning visade sig vara den optimala strategin som kunde bibehålla jämförbar kondition på ytan som strategin med multipunktskonturen, samtidigt som den generera en tätare struktur i regionen under ytan. Följaktligen uppnådde NNS-proverna med sådan kontur jämförbara dragegenskaper som DM-prover.

Det bör noteras att forskningen var fokuserad på vertikala prover (längs byggriktning) för att undvika höga termiska spänningar i horisontell riktning som kraftigt begränsar deformationsfri tillverkning av provbitar. För att hantera utmaningen med termiska spänningar och deformation utformades den sista delen, inom denna avhandling, för att bedöma termiska spänningar och töjningar av EBM-tillverkade provbitar i IN625. Effekten av olika processparametrar och skanningsstrategier utvärderades för att ta fram en uppsättning riktlinjer gällande tillverkning av horisontella och längre komponenter. Resultaten visade att termisk spänning, töjning och deformation kund minimeras genom att använda ett dubbelriktat skanningsmönster med rätt lagerrotationsvinklar för att ge kortare skanningar i varje lager.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-311557