Экспериментальное изучение единичных треков, полученных из смеси порошков Ti и Al при варьируемых параметрах процесса селективного лазерного плавления

В ходе исследований изучено влияние скорости сканирования лазера (vс) на морфологию единичных треков, полученных из смеси порошков Ti и Al в стехиометрическом соотношении 1 : 1 в продольном и поперечном сечениях. На наружной поверхности трека, полученного при vс= 300 мм/с, были обнаружены капли выплеснувшейся жидкости, появление которых скорее всего было вызвано выбросом пузырьков газа, образовавшихся из-за испарения более легкоплавкого алюминия. С ростом значений vс до 600 мм/с наблюдалось искажение единичного трека по длине. Было установлено, что с увеличением скорости лазерного луча треки перестают быть стабильными, и из-за значительной конвекции Марангони и нестабильности капиллярной жидкости в расплавленной ванне по поверхности трека формируются «шарики». Повышение скорости лазера привело к появлению пор, которые в основном сконцентрированы в образовавшихся шариках, а также оказало влияние на морфологию трека в поперечном сечении, а именно – на ширину, высоту трека и глубину проплавления подложки. С увеличением скорости сканирования с 300 до 900 мм/с проплавления подложки практически не наблюдалось, ширина трека уменьшилась с 194 до 136 мкм, а его высота увеличилась почти в 4 раза – с 21 до 88 мкм. Для оценки структуры изучаемых треков был проведен микрорентгеноспектральный анализ (МРСА) и получены карты распределения элементов. Установлено, что при скоростях сканирования 300 и 600 мм/с перемешивание жидкости в ванне расплава происходит в недостаточной степени, что приводит к ликвации элементов по сечению треков. Центральная зона оказывается обогащеной алюминием, в то время как в основании преобладает титан, а в крайней зоне он практически отсутствует (4,57 ат.% Ti). При vс = 900 мм/с, по данным МРСА, наблюдалось наличие нерасплавившихся частиц порошка титана. Предположительной причиной этого может являться недостаточная мощность лазера при столь высокой скорости сканирования.

1. Holec D., Legut D., Isaeva L., Souvatzis P., Clemens H., Mayer S. Interplay between effect of Mo and chemical disorder on the stability of β/β0-TiAl phase. Intermetallics. 2015. Vol. 61. P. 85—90. DOI: 10.1016/j.intermet. 2015.03.001.

2. Pflumm R., Friedle S., Schütze M. Oxidation protection of γ-TiAl-based alloys: A review. Intermetallics. 2015. Vol. 56. P. 1—14. DOI:10.1016/j.intermet.2014.08.002.

3. Shanmugasundaram T., Guyon J., Monchoux J.P., Hazotte A., Bouzy E. On grain refinement of a γ-TiAl alloy using cryo-milling followed by spark plasma sintering. Intermetallics. 2015. Vol. 66. P. 141—148. DOI: 10.1016/j.intermet.2015.07.007.

4. Kenel C., Leinenbach C. Influence of Nb and Mo on microstructure formation of rapidlysolidified ternary Ti—Al—(Nb, Mo) alloys. Intermetallics. 2016. Vol. 69. P. 82— 89. DOI: 10.1016/j.intermet.2015.10.018.

5. Appel F., Clemens H., Fischer F.D. Modeling concepts for intermetallic titanium aluminides. Progr. Mater. Sci. 2016. Vol. 81. P. 55—124. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2016.01.001.

6. Clemens H., Mayer S. Design, processing, microstructure, properties, and applications of advanced intermetallic TiAl alloys. Adv. Eng. Mater. 2013. Vol. 15. P. 191—215. DOI: 10.1002/adem.201200231.

7. Bewlay B.P., Nag S., Suzuki A., Weimer M.J. TiAl alloys in commercial aircraft engines. Mater. High Temp. 2016. Vol. 33. P. 549—559. DOI: 10.1080/09603409.2016. 1183068.

8. Yang Y., Wen S., Wei Q., Li W., Liu J., Shi Y. Effect of scan line spacing on texture, phase and nanohardness of TiAl/TiB2 metal matrix composites fabricated by selective laser melting. J. Alloys Compd. 2017. Vol. 728. P. 803—814. DOI: 10.1016/j.jallcom.2017.09.053.

9. Li W., Liu J., Zhou Y., Wen S., Tan J., Li S., Wei Q., Yan C., Shi Y. Texture evolution, phase transformation mechanism and nanohardness of selective laser melted Ti—45Al—2Cr—5Nb alloy during multi-step heat treatment process. Intermetallics. 2017. Vol. 85. P. 130—138. DOI: 10.1016/j.intermet.2017.01.016.

10. Li W., Liu J., Zhou Y., Wen S., Wei Q., Yan C., Shi Y. Effect of substrate preheating on the texture, phase and nanohardness of a Ti—45Al—2Cr—5Nb alloy processed by selective laser melting. Scripta Mater. 2016. P. 13—18. DOI: 10.1016/j.scriptamat.2016.02.022.

11. Yang J., Han J., Yu H., Yin J., Gao M., Wang Z., Zeng X. Role of molten pool mode on formability, microstructure and mechanical properties of selective laser melted Ti—6Al—4V alloy. Mater. Design. 2016. Vol. 110. P. 558—570. DOI: 10.1016/j.matdes.2016.08.036.

12. Wu J., Wang X.Q., Wang W., Attallah M.M., Loretto M.H. Microstructure and strength of selectively laser melted AlSi10Mg. Acta Mater. 2016. Vol. 117. P. 311—320. DOI: 10.1016/j.actamat.2016.07.012.

13. Wang Z., Guan K., Gao M., Li X., Chen X., Zeng X. The microstructure and mechanical properties of deposited- IN718 by selective laser melting. J. Alloys Compd. 2012. Vol. 513. P. 518—523. DOI: 10.1016/j.jallcom.2011.10.107.

14. Zhou Y., Wen S.F., Song B., Zhou X., Teng Q., Wei Q.S., Shi Y.S. A novel titanium alloy manufactured by selective laser melting: Microstructure, high temperature oxidation resistance. Mater. Design. 2016. Vol. 89. P. 1199—1204. DOI: 10.1016/j.matdes.2015.10.092.

15. Ma Y., Cuiuri D., Hoye N., Li H.J., Pan Z.X. The effect of location on the microstructure and mechanical properties of titanium aluminides produced by additive layer manufacturing using in-situ alloying and gas tungsten arc welding. Mater. Sci. Eng. A. 2015. Vol. 631. P. 230—240. DOI: 10.1016/j.msea.2015.02.051.

16. Löber L., Schimansky F.P., Kühn U., Pyczak F., Eckert J. Selective laser melting of a beta-solidifying TNM-B1 titanium aluminide alloy. J. Mater. Proces. Technol. 2014. Vol. 214. P. 1852—1860. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2014.04.002.

17. Löber L., Biamino S., Ackelid U., Sabbadini S., Epicoco P., Fino P., Eckert J. Comparison of selective laser and electron beam melted titanium aluminides. In: Proc. 22-nd Inter. Symp. Solid Freeform Fabrication. 2011. Р. 547—556.

18. Gussone J., Hagedorn Y.C., Gherekhloo H., Kasperovich G., Merzouk T., Hausmann J. Microstructure of γ-titanium aluminide processed by selective laser melting at elevated temperatures. Intermetallics. 2015. Vol. 66. P. 133—140. DOI: 10.1016/j.intermet.2015.07.005.

19. Li W., Liu J., Wen S.F., Wei Q.S., Yan C.Z., Shi Y.S. Crystal orientation, crystallographic texture and phase evolution in the Ti—45Al—2Cr—5Nb alloy processed by selective laser melting. Mater. Charact. 2016. Vol. 113. P. 125—133. DOI: 10.1016/j.matchar.2016.01.012.

20. Gu D.D., Hagedorn Y.C., Meiners W., Meng G.B., Batista R.J.S., Wissenbach K., Poprawe R. Densification behavior, microstructure evolution, and wear performance of selective laser melting processed commercially pure titanium. Acta Mater. 2012. Vol. 60. P. 3849—3860. DOI: 10.1016/j.actamat.2012.04.006.

21. Shi X., Ma S., Liu C., Wu Q. Parameter optimization for Ti—47Al—2Cr—2Nb in selective laser melting based on geometric characteristics of single scan tracks. Opt. Laser Technol. 2017. Vol. 90. P. 71—79. DOI: 10.1016/j.optlastec.2016.11.002.

22. Thomas M. Progress in the understanding of the microstructure evolution of direct laser fabricated TiAl. Mater. Sci. Forum. 2016. Vol. 879. P. 1939—1944. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.879.1939.

23. Casalino G., Campanelli S.L., Ludovico A.D. Laser-arc hybrid welding of wrought to selective laser melt stainless steel. Inter. J. Adv. Manufact. Technol. 2013. Vol. 68. P. 209—2016. DOI: 10.1007/s00170-012-4721-z.

24. Gusarov A.V., Yadroitsev I., Bertrand P., Smurov I. Heat transfer modelling and stability analysis of selective laser melting. Appl. Surf. Sci. 2007. Vol. 254. P. 975—979. DOI: 10.1016/j.apsusc.2007.08.074.