Studie technologie selektivního holaserového spékání nástrojové ultra-vysokopevnostní oceli – její kvalita, mechanické vlastnosti a únava

A Study of Selective Laser Melting Technology on the Ultra-High Strength Tool Steel Use—Quality, Mechanical Properties and Fatigue

kapitola v knize

en

During the last few years, laser based powder bed fusion (PBF) processes have received an increasing attention as a section of additive manufacturing technologies with a rapidly growing number of established and potential industrial applications. This paper investigates the effect that key parameters in PBF processes have on critical material properties in high-alloyed steel samples, manufactured under controlled process conditions such as scanning strategy, energy density and orientation of samples in the build chamber. A Concept Laser M2 Cusing Machine, (Concept Laser, Lichtenfels, Germany) was used for the fabrication of samples made from MARLOK® C1650, an independent maraging (precipitation hardening) tool steel. This steel is specially designed to be used in highly demanding applications, including tools for aluminum die casting in long series with high requirements for surface quality in the product and high fatigue resistance in the tooling. Two series of samples were made with different hatch spacing of the laser beam and with different orientation and angles in the build chamber. The samples were prepared according to relevant standards including CNC machining, with exception for a few samples that were kept in as-built condition for comparison. Evaluation of the 3D surface quality of the machined samples and the morphology of the fracture were done with the contact-less Alicona Infinite G4 machine and a Tescan Mira 3GM scanning electron microscope. Fatigue testing was performed with an Instron 8874 Servohydraulic Dynamic Testing machine. The investigations include the influence of process parameters on mechanical properties in the final material, as well as the effect on the parameters measured in cyclic material fatigue tests. A special test for assessment of machinability of the sintered materials with turning in terms of specific cutting force has also been performed. The results confirmed a statistically significant influence of technological variables on the mechanical and fatigue properties. Some porosity found in the material apparently has been the origin of several mechanisms of crack initiation and propagation. However despite this, the results are encouraging since optimized process conditions apparently can produce a material of good quality and high fatigue resistance.

V posledních několika letech zaznamenaly laserové fúzní procesy práškových kovů (PBF) – jako část aditivních výrobních technologií – zvýšenou pozornost s rychle rostoucím počtem průmyslových aplikací. Tento článek zkoumá účinek klíčových parametrů těchto procesů a jejich účinků na vlastnosti materiálu – vysoce legované oceli. Vzorky byly vyrobené za podmínek řízeného procesu, s různou skenovací strategií, různou hustotou energie a orientací v komoře při sestavování vzorků. Stroj Koncept M2 Cusing laser, (Concept Laser, Lichtenfels, Německo) byl použit pro výrobu vzorků z materiálu MARLOK® C1650, vysokopevnostní precipitačně vytvrzené nástrojařské oceli. Tato ocel je speciálně navržena pro použití ve vysoce náročných aplikací, jako jsou například nástroje pro lití hliníku v hromadné výrobě s vysokými požadavky na kvalitu povrchu odlitků a vysokou únavovou odolností . V práci byly testovány dvě série vzorků s různými rozteči laserového paprsku, s odlišnou orientací a různými inklinacemi ve spékací komoře sestavení. Vzorky byly připraveny podle příslušných norem spékání a pomocí CNC opracování, s výjimkou několika vzorků, které byly nechány v původním stavu bez opracování. Hodnocení 3D kvality povrchu obráběných vzorků a morfologie trhlin byly prováděny opticky Aliconou G4 a dale pomoci řádkovacího elektronového mikroskopu Tescan Mira 3 GM. Dynamické testování a únava materiálu byly zkoumány pomocí servohydraulického stroje Instron 8874. Dále byl studován vliv parametrů procesu na mechanické vlastnosti výsledného materiálu, stejně jako vliv na parametrů cyklické únavy materiálu. Na stanovení obrobitelnosti spékaných materiálů a rozbor specifické řezné síla byl proveden další test. Výsledky potvrdily statisticky významný vliv proměnných technologických na mechanické a únavové vlastnosti oceli, zvláštní pozornost je věnována pórovitosti v materiálu, která byla zdrojem několika druhů trhlin. Navzdory tomu jsou výsledky povzbudivé, protože za optimalizovaných podmínek sintrovacího procesu zřejmě může produkovat materiál kvalitní a vysoké únavové odolnosti.

During the last few years, laser based powder bed fusion (PBF) processes have received an increasing attention as a section of additive manufacturing technologies with a rapidly growing number of established and potential industrial applications. This paper investigates the effect that key parameters in PBF processes have on critical material properties in high-alloyed steel samples, manufactured under controlled process conditions such as scanning strategy, energy density and orientation of samples in the build chamber. A Concept Laser M2 Cusing Machine, (Concept Laser, Lichtenfels, Germany) was used for the fabrication of samples made from MARLOK® C1650, an independent maraging (precipitation hardening) tool steel. This steel is specially designed to be used in highly demanding applications, including tools for aluminum die casting in long series with high requirements for surface quality in the product and high fatigue resistance in the tooling. Two series of samples were made with different hatch spacing of the laser beam and with different orientation and angles in the build chamber. The samples were prepared according to relevant standards including CNC machining, with exception for a few samples that were kept in as-built condition for comparison. Evaluation of the 3D surface quality of the machined samples and the morphology of the fracture were done with the contact-less Alicona Infinite G4 machine and a Tescan Mira 3GM scanning electron microscope. Fatigue testing was performed with an Instron 8874 Servohydraulic Dynamic Testing machine. The investigations include the influence of process parameters on mechanical properties in the final material, as well as the effect on the parameters measured in cyclic material fatigue tests. A special test for assessment of machinability of the sintered materials with turning in terms of specific cutting force has also been performed. The results confirmed a statistically significant influence of technological variables on the mechanical and fatigue properties. Some porosity found in the material apparently has been the origin of several mechanisms of crack initiation and propagation. However despite this, the results are encouraging since optimized process conditions apparently can produce a material of good quality and high fatigue resistance.

Selektivní laserová spékání, ocel, mechanické vlastnosti, cyklická únava

Selective Laser Melting, steel, mechanical properties, fatigue loading

01.09.2016

Springer International Publishing

Switzerland

978-3-319-41467-6

Applied Mechanics, Behavior of Materials, and Engineering Systems

1

67–86

20