Hybrid Process and Improvement of Grain Refinement Efficiency in Wire Arc Additive Manufactured Ti-6Al-4V Alloy

국문 초록 (Abstract)

와이어 아크 적층 제조법(WAAM)은 Ti-6Al-4V을 사용한 다양한 부품 생성에 새로운 길을 열었다. 그러나, 예기치 않게 적층 방향에 따른 열의 영향으로 큰 주상정 B 결정립을 생산함으로써, 결과적으로 거친 질감과 이방성 기계적 특성을 가진다. WAAM 기술은 Ti-6Al-4V 와이어를 공급 재료로 사용한다. 따라서 와이어의 비용은 초기에 Ti-6Al-4V 빌렛 비용에 따라 달라진다. 본 연구에서는 가공 단계를 최소화하여 와이어 비용을 줄이기 위해 주조 및 β 단조 Ti-6Al-4V 빌렛바를 사용하여 필러 와이어를 제조하는 가공 경로를 개발하고있다. 열역학 시뮬레이터 gleeble-3800을 사용하여 700°C – 1200°C의 온도 범위와 0.01 – 10s-1의 변형속도 범위, 50%까지의 신장 수축률에서 주조 및 β 단조 Ti-6Al-4V의 열변형 특성을 조사했다.단열 가열로 인한 비등온 유동 응력을 보정하기 위한 인공 신경망(ANN) 모델이 개발되었다.보정된 유동 응력 값을 이용하여 0.6 % 실제 변형률에서 공정 지도를 구성했다.
미세구조 특성화는 공정 지도의 불안정하고 안전한 도메인의 저효율 영역과 고효율 영역을 기반으로 수행되었다. 공정 지도의 불안정성 영역은 유동 국소화, α 라멜라에 꼬임 및 미세 공공 형성과 관련된 낮은 온도(<800°C)와 높은 변형률에서 획득되었습니다. 동적 재결정(DRX) 및 동적 복구(DRV)와 관련된 변형률 1s-1 미만의 온도 범위 850°C - 950°C에서 고효율 및 안전 영역이 획득되었습니다. 공정 지도의 최적 변형 조건은 필러 와이어 개발을 위한 주조 및 β 단조 Ti-6Al-4V 빌렛바의 열간압연에 추가로 사용됩니다.
최근 개발된 와이어 아크 적층 가공 하이브리드법이 단일 단계의 열간 단조 공정으로 완제품과 거의 유사한 중간재를 생산한다.
하이브리드법은 가공된 중간재의 결함과 이방성을 극복하고 더 나은 기계적 특성으로 부품의 정형을 생산한다. 또한 하이브리드법에 의해 생산된 widmanstatten 조직(0.34 - 0.48µm)을 포함하는 Ti-64 합금의 WAAM의 열간성형거동과 기계적특성을 연구한다. 열간성형 시험은 열역학 시뮬레이터 gleeble-3800을 사용하여 700°C – 1000°C의 온도 범위와 0.01s-1 - 10s-1 변형속도 범위, 60%까지의 신장 수축률로 수행되었다.
인공 신경망(ANN) 모델은 실험 조건의 미세한 간격에서 비등온 흐름 곡선을 수정하기 위해 개발되었다. 미세 구조 연구는 개발된 공정 지도를 사용하여 다양한 영역에서 수행되었습니다. 미세 구조는 국한된 흐름 및 라멜레 꼬임과 관련된 높은 변형속도와 낮은 온도에서 불안정한 영역을 보여줍니다. 동시에 높은 효율과 안정된 영역은 1s-1 이하의 변형률에서 900 - 950 °C 온도 영역에서 동적 재결정화와 관련이 있습니다. α+β와 β상 영역에서 자기변형 활성화 에너지는 각각 308.7kJ/mol과 493.2kJ/mol이었습니다. 920 °C와 변형률 0.6, 0.8, 0.9에서 단조된 시료는 받은 시료와 응력 완화된 시료에 비해 높은 강도와 연신율, 약한 조직감을 보여줍니다.
WAAM 기법에서 큰 주상정 β 결정립은 해머 피닝을 통해 퇴적된 각 트랙의 소성 변형을 사용하여 미세화 할 수 있습니다. 이 방법에서는 C형 필러를 사용하여 WAAM Ti-6Al-4V의 피닝 및 증착 속도 동안 β 결정립 미세화의 효율을 향상시키기 위한 추가 접근법을 조사했습니다. 결과는 피닝 WAAM Ti-6Al-4V에서 기존의 상용 모양 필러 와이어에 비해 C형 필러를 사용할 때 결정립 미세화 효율이 크게 향상됨을 보여줍니다. C형 필러 와이어를 사용하여 얻은 WAAM Ti-6Al-4V의 용융 풀 침투 깊이는 상용화된 둥근 모양(R-Type) 필러 와이어(4.48mm)보다 낮습니다. 소성 변형된 영역은 변형 깊이(844±32.65μm)까지 미세하고 무작위로 배향된 β 결정립 성장합니다. C형 필러를 사용한 피닝 WAAM Ti-6Al-4V는 상용 필러 와이어(원형)와 비교하여 작은 등축 β 결정립과 얇은 α lath(0.56±0.18μm)의 존재로 인해 양방향(수평 및 수직)으로 등방성 기계적 특성과 높은 강도를 보입니다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The wire and arc additive manufacturing (WAAM) technique provided a new route to produce metrically complex parts of Ti-6Al-4V. However, it produces undesirable large columnar prior β grains created by the directional heat flow along the building direction, resulting in a strong texture and anisotropic mechanical properties. The WAAM technique uses Ti-6Al-4V wire as feeding material. So, the cost of wire initially depends on the Ti-6Al-4V billet cost. In this study, we are developing the processing route to manufacture filler wire using as cast and β forged Ti-6Al-4V billet bars to reduce the wire cost by minimizing processing steps. The hot deformation characteristics of as cast and β forged Ti-6Al-4V have been investigated using thermal-mechanical simulator gleeble-3800 in the temperature range of 700°C – 1200°C and strain rate range of 0.01 – 10s-1 up to height reduction of 50%. An artificial neural network (ANN) model has been developed to correct the non-isothermal flow stress caused by adiabatic heating. The model-corrected flow stress values were used to construct the processing map at the 0.6 true strain. The microstructural characterization was carried out based on the low and high-efficiency region of the instable and safe domain of the processing map. The instability domains in the processing map were obtained at lower temperatures (<800°C) and high strain rates, associated with flow localization, α lamellae kinking, and micro-voids formation. High efficiency and safe domain were obtained in the temperature range 850°C- 950°C below strain rate 1s-1 associated with dynamic recrystallization (DRX) and dynamic recovery (DRV). The optimum deformation condition of the processing map is further used for hot rolling of as cast and β forged Ti-6Al-4V billet bar for filler wire development. The study revel that the filler wire can be manufactured directly using as cast Ti-6Al-4V ingot. The developed wire were oxidation and crack free.
The hybrid method has recently been developed in which wire and arc additive manufacturing (WAAM) produces the near net shape preform for the single-step hot forging process. The hybrid method overcomes the defects and anisotropic properties of WAAM processed preform and produces the component's net shape with better mechanical properties. We also investigate the hot deformation behavior and mechanical properties of WAAM Ti-6Al-4V alloy containing widmanstatten microstructure (0.34-0.48 µm) produced by the hybrid method. Hot deformation tests were conducted in the temperature range 700°C – 1000°C and strain rate range 0.01s-1 – 10s-1 up to the height reduction of 60%, using the thermal-mechanical simulator gleeble-3800. The artificial neural network model (ANN) has been developed to correct the non-isothermal flow curve at finer intervals of experimental conditions. The microstructural studies were carried out at various regions using a developed processing map. The microstructures show an instability region at a high strain rate and lower temperature, associated with flow localization and lamellae kinking. At the same time, the high efficiency and stable areas are related to dynamic recrystallization in the temperature range 900 - 950 °C at a strain rate below 1s-1. The self-deformation activation energy in the α+β and β phase regions was 308.7kJ/mol and 493.2kJ/mol, respectively. The forged sample at 920°C and strain 0.6, 0.8, and 0.9 show high strength, elongation, and weak texture compared to the received and stress-relieved samples.
The large columnar prior β grains in the WAAM technique can be refined using plastic deformation of each deposited track through hammer peening. In this method, we have investigated an additional approach to enhance the efficiency of β grain refinement during the peening and deposition rate of WAAM Ti-6Al-4V using C-type filler. The results show that the grain refinement efficiency is significantly improved when using C-type filler compared to the existing commercial-shape filler wire in peening WAAM Ti-6Al-4V. The obtained melt pool penetration depth of WAAM Ti-6Al-4V using a C-type filler wire is lower (3.3 mm) than the commercially available round shape (R-Type) filler wire (4.48 mm). The plastically deformed region develops fine and randomly orientated β grains up to the deformation depth (844± 32.65 μm). The peening WAAM Ti-6Al-4V using C-type filler shows isotropic mechanical properties in both directions (horizontal and vertical) and high strength due to the presence of small equiaxed β grains and thin α lath (0.56 ± 0.18 μm) as compared to the available commercial filler wire (round shape).

목차 (Table of Contents)

• Acknowledgements ⅰ
• List of contents ⅱ
• List of Tables ⅴ
• List of Figures ⅵ
• (Abstract in Korean)
• Chapter 1. Introduction
• Background of research 4
• Objectives 11
• Literature Survey 12
• 1.3.1 Economical importance of AM techniques 12
• 1.3.2 Microstructural inhomogeneity of AM Ti-6Al-4V 13
• 1.3.3 Processing defects in AM techniques 15
• 1.3.4 Importance of Artificial neural network (ANN) 19
• Chapter 2. Development of Low-Cost Ti-6Al-4V Filler Wire Manufacturing Process for Wire Arc Additive Manufacturing 21
• 2.1 Introduction 21
• 2.2 Materials and Method 23
• 2.3 ANN Model Development 24
• 2.3.1 Model training procedure 25
• 2.3.2 Validation of ANN model 29
• 2.4 Result and Discussion 31
• 2.4.1 Initial microstructure 31
• 2.4.2 Stress-strain behavior of as cast Ti-6Al-4V ingot 33
• 2.4.3 Stress-strain behavior of β Forged Ti-6Al-4V 37
• 2.4.4 Processing map 41
• 2.4.5 Microstructure evolution in as cast Ti-6Al-4V ingot during hot deformation 44
• 2.4.6 Microstructure evolution in Ti-6Al-4V β billet during hot deformation 48
• 2.5 Wire development procedure of Ti-6Al-4V 54
• 2.5.1 Microstructure of developed wire 56
• 2.5.2 Developed wire and mechanical properties 61
• 2.6 Conclusion 63
• Chapter 3 Wire Arc Additive manufacturing method for Ti-6Al-4V alloy to improve the grain refinement efficiency and mechanical properties 54
• Introduction 54
• Materials and method 57
• Result and Discussion 61
• 3.3.1 Macrostructure and grain refinement efficiency improvement 61
• 3.3.2 Deposition efficiency improvement 68
• 3.3.3 Effect of C-type filler wire on grain refinement and parent β phase reconstruction 72
• 3.3.4 Microstructure 76
• 3.3.5 Mechanical properties 80
• 3.4. Conclusions 84
• Chapter 4 Optimization of hybrid manufacturing process combining forging and wire-arc additive manufactured Ti-6Al-4V through hot deformation characterization 86
• 4.1 Introduction 86
• 4.2 Materials and Methods 88
• 4.3 ANN Model development 91
• 4.4 Result and Discussion 94
• 4.4.1 Initial Microstructure 94
• 4.4.2 Compositional analysis 98
• 4.4.3 Flow behavior of Ti-6Al-4V 100
• 4.4.4 Kinetics Study 105
• 4.4.5 Processing map 110
• 4.4.6 Microstructural Examination 113
• 4.4.7 Recrystallization mechanism 126
• 4.5 Characterization of crystallographic texture and mechanical properties 128
• 4.6 Conclusion 137
• Chapter 5 Summary and Future work 139
• References 141
• Abstract 152
• List of Publications 155