The Effect of Production Parameters on Tensile Strength, Modulus of Elasticity and Elongation Properties of Ti6Al4V Alloy by Selective Laser Melting Method

Abstract

Additive manufacturing is a modern manufacturing method that uses computer-controlled three-dimensional solid model data. The aim of additive manufacturing; It is to gradually produce the material and bring it to its final shape. In this way, products with complex geometries are relatively easier to obtain than other classical methods. In particular, it is preferred in a wide area such as the aerospace industry, biomedical and defense industry, where it is necessary to produce parts with high measurement accuracy, high strength and low weight. Additive manufacturing consists of many sub-methods and these methods depend on many criteria such as the type of material, the size of the part, the purpose of use, the principle of operation, the precision and properties of the materials, the number and speed of production. Selective laser melting (SLM) method is generally preferred among additive manufacturing methods. However, many factors can affect the SLM process, including direct and indirect parameters. The aim of this study is to examine the effect of different production parameters on the mechanical properties of Ti6Al4V alloy material produced using the SLM method. For this purpose, four different production parameters and levels are determined as production parameters. Tensile strength, modulus of elasticity and elongation percentage are selected as the evaluation criteria. Taguchi L16 is preferred in experimental design. S/N analysis is used when evaluating the results of the experiment. Variance analysis (ANOVA) is performed to determine the level of impact of control factors. Optimum parameters for tensile strength with the data obtained from the results of the experiment are determined as 75 μm laser focal diameter, 230 W laser power, 60 μm scanning distance and 300 mm/s speed scanning speed, while 60 μm scanning distance for the elasticity module, 450 mm/s scanning speed, 80 μm laser focal diameter and 250 W laser power and 90 μm laser focus diameter for elongation amount, 150 μm scanning distance, 450 mm/s scanning speed and 230 W laser power are determined.

Keywords

• Additive manufacturing
• Mechanical properties
• Ti6Al4V
• Selective laser melting

Üretim Parametrelerinin Seçici Lazer Ergitme Yöntemi ile Ti6Al4V Alaşımının Çekme Dayanımı, Elastisite Modülü ve Uzama Özelliklerine Etkisi

Abstract

Eklemeli imalat, bilgisayar kontrollü üç boyutlu katı model verilerini kullanan modern bir imalat yöntemidir. Eklemeli imalatta amaç; malzemeyi kademeli şekilde üreterek nihai şekline getirmektir. Bu sayede karmaşık geometrilere sahip ürünlerin elde edilmesi diğer klasik yöntemlere göre nispeten daha kolaydır. Özellikle, yüksek ölçüm doğruluğuna, yüksek dayanıma ve düşük ağırlığa sahip parçaların hızlı üretilmesinin gerekli olduğu havacılık-uzay endüstrisi, biyomedikal ve savunma sanayii gibi geniş bir alanda tercih edilmektedir. Eklemeli imalat birçok alt yöntemden oluşmakta ve bu yöntemler malzemenin cinsi, parçanın boyutu, kullanım amacı, çalışma prensibi, malzemelerin hassasiyeti ve özellikleri, üretim sayısı ve hızı gibi birçok kritere bağlıdır. Seçici lazer eritme (SLM) yöntemi, eklemeli imalat yöntemleri arasında genellikle tercih edilmektedir. Ancak, SLM prosesini doğrudan ve dolaylı parametreler olmak üzere birçok faktör etkileyebilmektedir. Bu çalışmanın amacı, farklı üretim parametrelerinin SLM yöntemi kullanılarak üretilen Ti6Al4V alaşım malzemesi üzerinde mekanik özelliklerine etkisini incelemektir. Bu amaç doğrultusunda dört farklı üretim parametresi ve seviyeleri üretim parametresi olarak belirlenmiştir. Değerlendirme kriteri olarak çekme dayanımı, elastisite modülü ve uzama yüzdesi seçilmiştir. Deney tasarımında Taguchi L16 tercih edilmiştir. Deney sonuçları değerlendirilirken S/N analizi kullanılmıştır. Kontrol faktörlerin etki düzeyini belirlemek için varyans analizi (ANOVA) yapılmıştır. Deney sonuçlarından elde edilen verilerle çekme dayanımı için optimum parametreler; 75 μm lazer odak çapı, 230 W lazer gücü, 60 μm tarama mesafesi ve 300 mm/sn hız tarama hızı olarak tespit edilirken, elastisite modülü için 60 μm tarama mesafesi, 450 mm/sn tarama hızı, 80 μm lazer odak çapı ve 250 W lazer gücü ve uzama miktarı için 90 μm lazer odak çapı, 150 μm tarama mesafesi, 450 mm/sn tarama hızı ve 230 W lazer gücü olarak tespit edilmiştir.

Keywords

• Eklemeli imalat
• Mekanik özellikler
• Ti6Al4V
• Seçici lazer ergitme

References

1. [1] Ö. Poyraz, “Metallerin lazer katmanlı imalatında kullanılan proses parametrelerinin etkisinin, modelleme ve simülasyon yöntemleri kullanılarak incelenmesi”, Doktota tezi, Makine Mühendisliği Bölümü, Eskişehir Osmangazi Üniversitesi, Eskişehir, Türkiye, 2018.
2. [2] O. Özsolak, “Eklemeli İmalat Yöntemleri Ve Kullanilan Malzemeler”, Int. J. Innov. Eng. Appl., c. 3, s. 1, ss. 9–14, 2019.
3. [3] Ö. Poyraz and M. C. Kuşhan, “Investigation of the effect of different process parameters for laser additive manufacturing of metals,” Gazi Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Derg., vol. 33, no. 2, pp. 729–742, 2018.
4. [4] I. Yadroitsava, S. Grewar, D. Hattingh, and I. Yadroitsev, “Residual stress in SLM Ti6Al4V alloy specimens”, Mater. Sci. Forum, vol. 828–829, pp. 305–310, 2015.
5. [5] K. S. Al-Rubaie, S. Melotti, A. Rabelo, J. M. Paiva, M. A. Elbestawi, and S. C. Veldhuis, “Machinability of SLM-produced Ti6Al4V titanium alloy parts”, J. Manuf. Process., vol. 57, pp. 768–786, Sep. 2020.
6. [6] S. Leuders, M. Thöne, A. Riemer, T. Niendorf, T. Tröster, H. A. Richard and H. J. Maier,, “On the mechanical behaviour of titanium alloy TiAl6V4 manufactured by selective laser melting: Fatigue resistance and crack growth performance”, Int. J. Fatigue, vol. 48, pp. 300–307, Mar. 2013.
7. [7] A. Popovich, V. Sufiiarov, E. Borisov, and I. Polozov, “Microstructure and Mechanical Properties of Ti-6Al-4V Manufactured by SLM”, Key Eng. Mater., vol. 651–653, pp. 677–682, 2015.
8. [8] A. V. S. R. Prasad, K. Ramji, and G. L. Datta, “An experimental study of wire EDM on Ti-6Al-4V Alloy”, Procedia Mater. Sci., vol. 5, pp. 2567–2576, 2014.

9. [9] J. Han, J. Yang, H. Yu, J. Yin, M. Gao, Z. Wang and X. Zeng, “Microstructure and mechanical property of selective laser melted Ti6Al4V dependence on laser energy density”, Rapid Prototyp. J., vol. 23, no. 2, pp. 217–226, 2017.
10. [10] B. Song, S. Dong, B. Zhang, H. Liao, and C. Coddet, “Effects of processing parameters on microstructure and mechanical property of selective laser melted Ti6Al4V”, Mater. Des., vol. 35, pp. 120–125, 2012.
11. [11] C.-J. Kong, C. J. Tuck, I. A. Ashcroft, R. D. Wildman, and R. Hague, “High density Ti6Al4V via slim processing: microstructure and mechanical properties”, International Solid Freeform Fabrication Symposium, 2011, pp. 475-483.
12. [12] M. Roudnicka, J. Bigas, and D. Vojtech, “Tuning porosity and mechanical properties of Ti6Al4V alloy additively manufactured by SLM”, Key Eng. Mater., vol. 865, pp. 1–5, 2020.
13. [13] M. Simonelli, Y. Y. Tse, and C. Tuck, “Effect of the build orientation on the mechanical properties and fracture modes of SLM Ti–6Al–4V”, Mater. Sci. Eng. A, vol. 616, pp. 1–11, 2014.
14. [14] B. Song, S. Dong, H. Liao, and C. Coddet, “Process parameter selection for selective laser melting of Ti6Al4V based on temperature distribution simulation and experimental sintering”, Int. J. Adv. Manuf. Technol., vol. 61, no. 9–12, pp. 967–974, 2012.
15. [15] W. Sun, Y. Ma, W. Huang, W. Zhang, and X. Qian, “Effects of build direction on tensile and fatigue performance of selective laser melting Ti6Al4V titanium alloy”, Int. J. Fatigue, vol. 130, no. pp. 105260, 2020.
16. [16] K. Chang et al., “Microstructural feature and mechanical property in different building directions of additive manufactured Ti6Al4V alloy”, Mater. Lett., vol. 267, pp. 127516, 2020.
17. [17] Z. Wang, Z. Xiao, Y. Tse, C. Huang, and W. Zhang, “Optimization of processing parameters and establishment of a relationship between microstructure and mechanical properties of SLM titanium alloy”, Opt. Laser Technol., vol. 112, pp. 159–167, 2019.
18. [18] X. Shi et al., “Performance of high layer thickness in selective laser melting of Ti6Al4V”, Materials (Basel)., vol. 9, no. 12, p. 975, 2016.
19. [19] Ç. V. Yıldırım, “Grafit parçacık takviyeli nano akışkan kullanılarak AISI 316’nın frezelenmesinde yüzey pürüzlülüğü ve kesme sıcaklığının optimizasyonu”, Düzce Üniversitesi Bilim ve Teknol. Derg., c. 7, s. 1, ss. 326–341, 2019.