Optimization of the mechanical properties of Ti-6Al-4V alloy produced by three dimensional additive manufacturing using termochemical processes

Abstract

Seçmeli lazer ergitme (SLE), havacılık ve biyomedikal sektörlerinde kullanılan karmaşık yapılı Ti-6Al-4V parçaların tek bir basamakta zaman, hurda ve maliyeti azaltarak üretimlerinin yapılmasını sağlayan katmanlı imalat (Kİ) yöntemlerinden bir tanesidir. Ancak, SLE ile üretilen parçaların mikroyapıları döküm ile üretilen parçaların mikroyapılarına benzer olduğu ve lazer ergitmesi sırasında kalıntı gerilmeler açığa çıktığı için bu parçaların süneklikleri düşüktür. Bu çalışmada, SLE ile üretilen Ti-6Al-4V alaşımlara sünekliği arttırmak ve mikroyapıyı iyileştirmek için termo-mekanik işlemlerin aksine parçaların son şekilini bozmayarak termo-hidrojen işlemi (THİ) uygulanmıştır. Geleneksel olarak uygulanan 4-basamaklı THİ'de, iyileştirilmiş mikroyapıya rağmen β çözündürme ve ötektoid ayrışma işlemleri sırasında tane sınırlarında α fazı birikmesi sebebiyle mekanik özellikler düşmüştür. Buna ek olarak, β-tanelerinin β-çözündürme işlemi sırasında aşırı büyümesi 4-basamaklı THİ'nin bir başka dezavantajı olarak buulunmuştur. Diğer taraftan, α/β geçiş sıcaklığının altında gerçekleştirilen 2-basamaklı yeniden düzenlenmiş THİ'nin mukavemeti azaltmadan sünekliği arttırdığı keşfedilmiştir. 4- ve 2-basamakla THİ'ye tabi tutulan numunlerde benzer mikroyapı açığa çıkmasına rağmen 2-basamaklı THİ sonucunda numunelerde tane büyümesi ve tane sınırlarında α fazı birikmesi meydana gelmemiştir. Alaşımın hidrojen emmesi başlangıç mikroyapısı ile önemli oranda değişmediği halde son özelliklerinin başlangıç mikroyapısına bağlı olduğu bulunmuştur. THİ, α'-martenziti ince yapılı α ve β fazlarına dönüştürerek sünekliği önemli oranda arttırırken yapraksı α + β yapısının sünekliliği ve fazları üzerine önemli etkide bulunmayarak süreksiz yapının elde edilmesine sebep olmuştur.

Selective laser melting (SLM) is an additive manufacturing (AM) technology used for aerospace and biomedical Ti-6Al-4V alloys to produce parts with complex geometry at one step with reduced production time, scrap and cost. However, parts produced by SLM are lack of ductility due to microstructures similar to those cast products and residual stresses generated during laser processing. In this study, Ti-6Al-4V alloys produced by SLM were treated by thermo-hydrogen process (THP) to increase ductility and to refine the microstructure without changing the parts' final geometry as opposed to thermo-mechanical processes. It has been observed that conventional 4-step THP decrease alloy's mechanical properties despite refined microstructure because of grain boundary α-phase formation during β-solutionizing and eutectoid decomposition steps. Additionally, excessive growth of β-grains occurred during β-solutionizing was another drawback of the 4-step process. On the other hand, modified 2-step THP, which was conducted below α/β transition temperature, was found to increase the alloy's ductility without degrading its strength. Although similar microstructures were developed in samples treated by 2- and 4-step THP, grain growth and grain boundary α- phase formation was not encountered in samples treated by 2-step THP. Even though hydrogen absorption of the alloy has not been changed considerably, initial microstructure of the alloy was found to be effective on final properties. THP transformed α'-martensite to fine α and β phases by significant increase in ductility, while it did not alter the type of phases and ductility too much in samples containing lamellar α+β microstructure; however, a discontinuous morphology was obtained.