Influence of Voids on Fatigue Life of 3D Printed Titanium Alloy Specimens

Význam tématu

3D tisk kovových slitin, zejména Ti6Al4V, představuje perspektivní technologii pro letecký a zdravotnický průmysl díky vysoké tvarové svobodě a kratšímu výrobnímu času. Zároveň se však v takto vyrobených součástech často vyskytují vnitřní póry a dutiny, které mohou výrazně omezit jejich únavovou životnost. Studium vlivu těchto defektů je tedy klíčové pro zajištění spolehlivosti a bezpečnosti aplikací.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem práce je kvantifikovat a porovnat vliv umístění vnitřních dutin na únavovou životnost vzorků Ti6Al4V vyrobených technologií elektronového svazku PBF. Postup zahrnuje:

• Analýzu vnitřních dutin metodou rentgenové počítačové tomografie (CT).
• Ultrazvukové únavové zkoušky až do velmi vysokého počtu cyklů.
• Identifikaci míst iniciace trhlin pomocí elektronové mikroanalýzy povrchu (EPMA).

Použitá instrumentace

• Microfocus X-Ray CT System inspeXio SMX-225CT FPD HR Plus se softwarem VGSTUDIO MAX pro vizualizaci a kvantifikaci dutin.
• Ultrazvuková únavová zkušební mašina USF-2000A (frekvence až 20 kHz) se vzduchovým chlazením a regulací teploty podle normy JWES WES 1112:2022.
• Electron Probe Microanalyzer EPMA™-8050G pro lokalizaci a dokumentaci místa iniciace trhlin.

Hlavní výsledky a diskuse

• CT vyšetření odhalilo dutiny o objemu až ~1×10⁻³ mm³, převážně sférického tvaru, doplněné o prasklinové defekty.
• Únavové zkoušky (6 vzorků, 350 a 300 MPa) prokázaly dvě oblasti selhání:
  
  • High cycle fatigue (10⁵–10⁶ cyklů): vzorky 1, 3, 6 (povrchové dutiny).
  • Very high cycle fatigue (10⁸–10⁹ cyklů): vzorky 2, 4, 5 (vnitřní dutiny).
• EPMA-Kontrast a CT data potvrdily, že vzorky selhávají v místě nejbližších dutin:
  
  • Povrchové defekty vedou k rychlejší iniciaci prasklin při nižším počtu cyklů.
  • Interní dutiny způsobují pozdější poruchu v oblasti velmi vysokých cyklů.

Přínosy a praktické využití metody

Navržená kombinace CT, ultrazvukových únavových zkoušek a EPMA analýzy umožňuje komplexní hodnocení vlivu mikrodefektů v 3D tištěných součástech. Aplikace tohoto postupu pomůže:

• Optimalizovat výrobní parametry PBF pro snížení defektů.
• Predikovat únavovou životnost dílů ve vývoji a při zajištění kvality.
• Zrychlit testovací proces díky ultrazvukové frekvenci.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Integrace pokročilých algoritmů pro automatizovanou detekci a klasifikaci dutin v CT datech.
• Studium vlivu velikosti, tvaru a hustoty dutin na únavové chování s využitím strojového učení.
• Rozšíření metodiky na další kovové slitinové systémy a průmyslové aplikace.

Závěr

Prokázalo se, že lokalizace vnitřních dutin je klíčovým faktorem únavové životnosti Ti6Al4V součástí zhotovených metodou elektronového PBF. Povrchové defekty iniciují poruchu v oblasti high cycle fatigue, zatímco interní póry způsobují selhání v rámci very high cycle fatigue. Pro úplné pochopení vlivu parametrů dutin je však zapotřebí dalšího studia jejich velikosti a distribuce.

Reference

1. P. Li, D.H. Warner, A. Fatemi, N. Phan, Critical assessment of the fatigue performance of additively manufactured Ti6Al4V and perspective for future research, International Journal of Fatigue 85 (2016) 130–143.
2. J. Günther, D. Krewerth, T. Lippmann, S. Leuders, T. Tröster, A. Weidner, H. Biermann, T. Niendorf, Fatigue life of additively manufactured Ti–6Al–4V in the very high cycle fatigue regime, International Journal of Fatigue 94 (2017) 236–245.