Electron beam powder bed fusion of Nitinol
A development from production process window towards delicate structures
Tid: Må 2023-12-18 kl 09.00
Plats: M311, Brinellvagen 68
Språk: Engelska
Ämnesområde: Industriell produktion
Respondent: Lin Zeyu , Tillverkning och mätsystem, Produktionsutveckling, IPU
Opponent: Professor Carolin Körner, Friedrich-Alexander-Universität
Handledare: Professor Amir Rashid, Produktionssystem, Tillverkning och mätsystem, Produktionsutveckling
Abstract
Elektronstrålepulverbäddfusion (PBF-EB) drar till sig alltmer uppmärksamhet för tillverkning av nära slutprodukt ämnen på grund av dess stora fördelar, såsom mindre restspänningar och överlägsna mekaniska egenskaper. Nickel Titan (NiTi) som den mest använda funktionella legeringen har inte systematiskt undersökts för tillverkning med PBF-EB trots den kontrollerade tillverkningsmiljön avseende vakuum och högtemperatur. Detta forskningsprojekt undersöker därför de olika aspekterna av PBF-EB för att möjliggöra tillverkning av NiTi-delar.
I det första avsnittet undersöks pulverförvärmningens kritiska roll i PBF-EB och dess relation till rökutveckling och sintringsproblem vid användning av NiTi-pulver som är mycket känsligt för rök. Forskningen inkluderar bedömningar av elektronstrålens fläckstorlek och dess inverkan på rökutvecklingen. Dessutom undersöker denna studie inverkan av ofokuserade elektronstrålar på rökutveckling, med negativ defokusering vilket ger dämpande rök jämfört med positiv defokusering som kan öka rökutvecklingen. Processfönster för förvärmning av NiTi-pulver är utvecklade baserat på röktester och sintringsnivåer, som visar tre lägen: rökutvecklingsuppvärmning, smältningsuppvärmning och optimerad uppvärmning. Följaktligen väljs processfönstret för optimerad uppvärmning för att tillverka de täta NiTi-delarna.
Vidare, för att producera högdensitets och optimala komponenter, fokuserar forskningen på att undersöka effekterna av olika PBF-EB-parameteruppsättningar vid tillverkning av täta NiTi-delar, inklusive strålström, skanningshastighet och kylningsförhållanden. Efter tillverkning delas de tätaste delarna med olika parameteruppsättningar in i tre grupper: i) högeffekt med hög skanningshastighet och vakuum med långsam kylning, ii) lågeffekt med låg skanningshastighet och vakuum med långsam kylning och iii) låg effekt med låg skanningshastighet och medelhög kylningshastighet i heliumgas. En kombination av låg effekt och låg skanningshastighet leder till tätare delar. Detta tillskrivs lägre elektrostatiska repulsiva krafter från lägre densitet hos de aktiva elektronerna. Olika kylförhållanden har visat sig påverka fasomvandlingstemperaturerna avsevärt. Den långsammare kylningshastigheten leder till högre Af- och Ms-temperaturer och ett bredare fasomvandlingsfönster än de från delarna med medelhög kylningshastighet på grund av bildandet av Ni4Ti3-fällningar. Efteråt utvärderas och illustreras pseudoelasticiteten hos alla byggdelarna, vilket visar att korrekt kontroll av processen kan ge komponenter med återhämtningsbara spänningar på upp till 8 %.
I den sista delen av denna avhandling studeras kvaliteten och noggrannheten vid tillverkning av ömtåliga NiTi-delar med PBF-EB. Tunna cylindrar, tunna väggar och gitterstrukturer med olika design tillverkas med olika skanningsstrategier. Forskningen visar att både kontinuerlig smältning och punktsmältning uppnår tät materialstruktur i känsliga detaljer. Strukturer byggda som gitter uppvisar utmärkt fjädring, med kanalstrukturer vilka uppvisar mest deformationsåtervinningsbarhet. Tryckhållfastheten och den slutliga tryckhållfastheten ökar med högre volymfraktioner. Punktsmältning demonstreras som ett värdefullt ingenjörsverktyg för att anpassa känsliga strålformade strukturer med överlägsen pseudoelasticitet.