Direct Laser Metal Deposition [DLMD] of titanium matrix composites: analysis of microstructure and mechanical properties.

Abstract

Αντικείμενο έρευνας της παρούσας Διπλωματικής Εργασίας αποτελεί η μελέτη του σύνθετου υλικού TiC-Ti6Al4V μετά από επεξεργασία με απευθείας εναπόθεση μετάλλου με λέιζερ (Direct Laser Metal Deposition Method). Για την εναπόθεση χρησιμοποιήθηκε πούδρα TiC-Ti6Al4V σε αναλογία 10%-90%, αντίστοιχα. Τα πειράματα διεξήχθησαν στo εργαστήριο Μηχανικών Υλικών και Μηχανικής (PIMM) της École Nationale Supérieure d'Arts et Métiers (ENSAM) (μέλος του ParisTech), στα πλαίσια του προγράμματος ERASMUS, υπό την εποπτεία και καθοδήγηση του Καθηγητή Olivier Castelneau , επικεφαλή της ερευνητικής ομάδας CoΜet: Συμπεριφορά και Mικροδομής των Mετάλλων, και του Καθηγητή Patrice Peyre, επικεφαλή της ερευνητικής ομάδας Laser: Κατεργασίες με Laser. Οι βασικές παράμετροι που εξετάζονται και διαφοροποιούν τα κατασκευασθέντα δείγματα είναι οι εξής: πρώτον, η ενεργειακή κατανομή της δέσμης είναι τύπου Top Hat σε αντίθεση με την τύπου Gaussian η οποία χρησιμοποιήθηκε στις προηγούμενες ερευνητικές εργασία που πραγματοποιήθηκαν στο εργαστήριο PIMM. Δεύτερον εξετάστηκαν δύο ταχύτητες: 200 mm/ min και 400 mm/min. Τέλος, η πιο σημαντική παράμετρος που εξετάστηκε ήταν ότι από τα οκτώ δείγματα που παρήχθησαν τα μισά υπέστησαν επανάτηξη (δηλαδή εναπόθεση λέιζερ χωρίς παράλληλη εναπόθεση σκόνης). Για να εξετάστουν οι επιδράσεις των παραπάνω παραμέτρων, χρησιμοποιήθηκαν οι ακόλουθες μέθοδοι: Ανάλυση επιφανειακής τραχύτητας, Οπτικό μικροσκόπιο (ΟΜ), Ηλεκτρονικό Μικροσκόπιο Σαρώσεως (SEM), Μικροσκόπιο EBSD (EBSD), Περίθλαση ακτίνων-Χ (XRD), Μικροσκληρότητα και Δοκιμές Εφελκυσμού. Από τα αποτελέσματα του ερευνητικού αυτού έργου προέκυψε ότι ο παράγοντας της ανάτηξης οδηγεί σε καλύτερα αποτελέσματα καθώς βελτιώνει την ομοιογένεια κατά μήκος της μικροδομής των κατασκευασμένων δειγμάτων. Επιπλέον, παρόλο που η ταχύτητα δε διαφοροποίησε σημαντικά τα αποτελέσματα μεταξύ των δειγμάτων, τα δείγματα που κατασκευάστηκαν με ταχύτητα 200 mm/min παρουσίασαν σχετικά καλύτερα αποτελέσματα.

This diploma thesis project presents the study of Ti-TiC composites after being processed by Direct Laser Metal Deposition. TiC-Ti6Al4V powder was used at a proportion of 10%-90% respectively. The experiments were conducted at the Process and Engineering in Mechanics and Materials laboratory (PIMM) of the École Nationale Supérieure d'Arts et Métiers (ENSAM) (member of the ParisTech), within the ERASMUS program under the supervision and guidance of Professor Olivier Castelneau, Head of the Research Group CoMet : Behavior and Microstructure of Metals, and Professor Patrice Peyre, Head of the Research Group Laser: Laser Processes. Three parameters differentiated the manufactured samples which were afterwards examined with several methods. First, the beam’s propagation was of Top Hat type in contrast to previous work realized at the PIMM laboratory, secondly two velocities were examined; 200 mm/min and 400 mm/min and finally and most importantly, of the eight samples that were produced half of them were remelted (laser pass without powder deposition). To examine the impact of the aforementioned parameters, the following methods were realized; Surface roughness analysis, Optical Microcopy (OM), Scanning Electron Microsopy (SEM), X-ray diffraction (XRD) and Electron Backscattered Diffraction (EBSD) for the material and microstructure characterization. In addition, micro-hardness analysis for the eight samples and tensile tests on three new [DLMD] samples were also realized to examine the mechanical properties of the samples produced by the technique in survey. In summary, the overall outcome of this research project is that the novel remelting factor is indeed advantageous as it improves the homogeneity along the microstructure of the fabricated samples. In addition, although the velocity did not greatly differentiate the results among the samples, samples manufactured with a velocity of 200 mm/min presented somewhat better results.