Ti 6242: Κράμα τιτανίου υψηλής απόδοσης: Ένα κράμα τιτανίου υψηλής απόδοσης που εκτυπώνεται τρισδιάστατα

Οι σκόνες κράματος τιτανίου έχουν χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή εξαρτημάτων εξαιρετικής απόδοσης και οι πιο συνηθισμένες ποιότητες είναι Ti6Al4V, αλλά υπό ορισμένες συνθήκες, υπάρχουν κάποιες καλύτερες επιλογές, όπως TI-5553 και TI-38644, καθώς και το κράμα τιτανίου Ti-6242 (Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0,08Si), το οποίο είναι κατάλληλο για εφαρμογές υψηλής απόδοσης και υψηλής θερμοκρασίας. Η πυκνότητά του είναι 4,5g/cm³, γεγονός που του προσδίδει μια καλή αναλογία αντοχής/βάρους, το Ti-6242 συνδυάζει καλή μηχανική αντοχή και αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες, καθιστώντας το ένα υλικό που είναι δύσκολο να παραχθεί με συμβατικές τεχνικές και μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην αεροδιαστημική, στρατιωτική, πυρηνική και μηχανοκίνητη βιομηχανία. Θα συζητηθεί στην παρούσα εργασία.

Ti 6242 Χημική σύνθεση (AMS/SAE 4919)

Η χημική σύνθεση του Ti-6242 παρουσιάζεται στον παραπάνω πίνακα. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην εμπορική και στρατιωτική αεροδιαστημική βιομηχανία καθώς και στις βιομηχανίες πυρηνικής ενέργειας, όπου τα εξαρτήματα που απαιτούν εξαιρετική σταθερότητα σε υψηλές θερμοκρασίες και είναι ελαφριά (όπως κινητήρες, εξαρτήματα στροβίλων, δομές μετάκαυσης, πτερύγια συμπιεστών υψηλής πίεσης και θερμά άκρα ατράκτου) είναι απαραίτητα για τη συνολική απόδοση. Ορισμένες περιοχές ψυχρών άκρων χρειάζονται μόνο κράματα τιτανίου με ιδιότητες χαμηλής θερμοκρασίας, ενώ οι περιοχές θερμών άκρων θα επωφεληθούν από τη σταθερότητα υψηλής θερμοκρασίας που παρέχει το TI-6242. Αυτές οι εφαρμογές απαιτούν διαφορετικά υλικά, επομένως είναι ζωτικής σημασίας η επιλογή του σωστού υλικού ανάλογα με τις απαιτήσεις θερμοκρασίας λειτουργίας. Εν τω μεταξύ, το TI-6242 είναι το πρώτο κράμα τιτανίου που καθορίζεται από το AMS (American Aerospace Materials) ειδικά για εφαρμογές προσθετικής κατασκευής. Σε σύγκριση με άλλα κράματα τιτανίου με την ίδια κατανομή μεγέθους σωματιδίων, το TI-6242 έχει μεγαλύτερη αντοχή στην οξείδωση και ασφάλεια και είναι ευκολότερο στην επεξεργασία.

Το TI-6242 έχει εξαιρετική σταθερότητα σε υψηλές θερμοκρασίες, με αντοχή σε ερπυσμό έως 500-550°C, καλύπτοντας τις απαιτήσεις αντοχής για εφαρμογές υψηλής θερμοκρασίας και αντοχής σε ερπυσμό. Ενώ άλλα κοινά κράματα τιτανίου, όπως το Ti6Al4V, συνήθως λειτουργούν στους 350°C, το TI-6242 είναι ικανό να λειτουργεί σε πολύ υψηλότερες θερμοκρασίες (από χαμηλές θερμοκρασίες έως 500°C), ακόμη και με διαφορετικές διακυμάνσεις θερμοκρασίας σε ορισμένες ακραίες περιπτώσεις. Η πρόκληση στην αεροδιαστημική ήταν πάντα να προσπαθεί κανείς να επιτύχει τις υψηλότερες μηχανικές επιδόσεις με το μικρότερο δυνατό βάρος στην υψηλότερη θερμοκρασία. Τα υπερκράματα με βάση το νικέλιο χρησιμοποιούνται συνήθως στη θερμότερη περιοχή, ενώ η πυκνότητά τους είναι διπλάσια από την TI-6242, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μείωση του βάρους των κινητήρων στην αεροδιαστημική βιομηχανία, ενώ εξακολουθούν να πληρούν τις απαιτήσεις θερμοκρασίας. Αυτά τα χαρακτηριστικά είναι επίσης κατάλληλα για την αγωνιστική βιομηχανία, όπου το μικρό βάρος που παρέχει το Ti-6242 συμβάλλει στη βελτίωση της απόδοσης του κινητήρα και της αποδοτικότητας καυσίμου. Ως εκ τούτου, το TI-6242 μπορεί να αποτελέσει αποτελεσματικό υποκατάστατο του χάλυβα και των υπερκραμάτων με βάση το νικέλιο.

Η σκόνη τρισδιάστατης εκτύπωσης TI-6242 ανταποκρίνεται στον σχεδιασμό μέσης-υψηλής θερμοκρασίας, κατάλληλο για περιστρεφόμενους κινητήρες υψηλής ταχύτητας, αλλά εξακολουθεί να αποτελεί πρόκληση επειδή είναι επιρρεπής σε ρωγμές λόγω υπολειμματικών τάσεων. Οι εξαιρετικά σφαιρικές σκόνες θα βελτιώσουν την κατεργασιμότητα και θα βοηθήσουν να διατηρηθεί σταθερή η διαδικασία εκτύπωσης και να αποφευχθεί η δημιουργία ρωγμών. Οι ιδιότητες κόπωσης των υλικών είναι πολύ ευαίσθητες στις ατέλειες, ο τρόπος μείωσης των ατελειών στην πρόσθετη κατασκευή είναι ένας καλός τρόπος για τη βελτιστοποίηση των πρώτων υλών. Επιπλέον, οι μηχανικές ιδιότητες των σφαιρική σκόνη Το TI-6242 μπορεί να ρυθμιστεί από την κυκλική διαδικασία θερμικής επεξεργασίας.

Σκόνη Ti-6242 με διαφορετικά μεγέθη σωματιδίων που παράγεται από την AP&C

Η AP&C, μια εταιρεία κατασκευής σκόνης της GE Additive, ειδικεύεται στα αντιδραστικά υλικά, ειδικά στη σκόνη τιτανίου και είναι πρωτοπόρος στην κατασκευή Ti-6242. Ο ιταλικός πάροχος υπηρεσιών τρισδιάστατης εκτύπωσης, BEAMIT, το ερεύνησε επίσης και δείχνει ότι η αντοχή Yield του TI-6242 που παράγεται από το L-PBF είναι περίπου 1000MPa σε θερμοκρασία δωματίου και παραμένει πάνω από 600MPa στους 550°C, Αυτές οι ιδιότητες είναι συγκρίσιμες με εκείνες του σφυρηλατημένου ti-6242 και του IMI834, ενός από τα κράματα τιτανίου με τις υψηλότερες επιδόσεις σε υψηλές θερμοκρασίες. Στη μελέτη του Ινστιτούτου Τεχνολογίας Παραγωγής της Σιγκαπούρης, προτάθηκε και επαληθεύτηκε μια κυκλική διαδικασία θερμικής επεξεργασίας για την παρασκευή σφαιρικής φάσης α στην προσθετική κατασκευή με τη βοήθεια λέιζερ του κράματος τιτανίου TI-6242 κοντά σε α. Η διάχυση του στοιχείου μεταξύ α και β είναι η κινητήρια δύναμη για τον σχηματισμό της σφαιρικής φάσης α στο κράμα ti-6242 με υποβοηθούμενη με λέιζερ προσθετική κατασκευή. Μέσω του σχηματισμού της σφαιρικής φάσης α, ελέγχθηκαν η αντοχή και η επιμήκυνση του κράματος Ti-6242 με υποβοηθούμενη με λέιζερ προσθετική κατασκευή, τα οποία έφτασαν τις απαιτήσεις του AMS 4919J (όριο διαρροής ≥827 MPa, επιμήκυνση ≥10%). Το TI-6242 αντιστοιχεί στο κινεζικό GB TA19, το οποίο μπορεί να προμηθεύεται από διάφορους κατασκευαστές σκόνης κράματος τιτανίου στην Κίνα.