Development of titanium alloys for laser powder bed fusion with the use of d-optimal design
Date
2023-03
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH SUMMARY: Titanium is a costly and difficult material to manufacture, therefore it has primarily been used in high-value applications. The excellent material properties of titanium are what makes the material difficult to manufacture using traditional manufacturing methods. In the growing industry of additive manufacturing titanium has been adopted as one of the primary materials. The ability to manufacture intricate parts with little waste being very suited to eliminate the problems of titanium manufacturing. Titanium and its alloys have been extensively used in the expensive laser powder bed fusion process, primarily the Ti6Al4V alloy. The manufacturing process parameters for this alloy have thus been thoroughly optimised. The inherent cost of this process and of titanium make it expensive to develop new alloys for this manufacturing process. This research study investigates the use of D-optimal design experiments to determine the optimal process parameters for the TC11 and Ti6246 α+β titanium alloys and to construct a mathematical model that predicts the porosity of the alloys depending on the process parameters. A D-optimal design experiment was designed with the use of Design Expert software to find the optimal process parameters and to determine the terms of the mathematical model. Promising process parameter combinations from this experiment was then used to manufacture tensile samples to investigate the mechanical properties of the as-manufactured alloys and to compare them to the wrought alloys. The Ti6Al4V alloy was also manufactured as another way to determine the efficacy of the D-optimal approach. The Ti6Al4V alloy was manufactured with densities ranging from 97 to 100 %. The mathematical model was able to predict the porosity of samples with an overall error of 0.13 %. The TC11 alloy was manufactured with densities ranging from 97 to 100 %. The mathematical model was found to be able to predict the porosity of samples with an overall error of 0.513%. The mechanical properties of the TC11 tensile samples were superior to the wrought alloy in tensile strength and had similar elongation. Tensile strengths and elongation of 1511 MPa and 16.8 % were found. The Ti6246 alloy was manufactured with densities ranging between 96.5 to 100 %. The mathematical model was able to predict the porosity of samples with a mean error of 0.129 % up to 1.95 %. Tensile samples were manufactured with tensile strengths superior to that of the wrought alloy, but with very low ductility for moderate and high VED levels (167 and 250 J/mm3). Tensile samples manufactured at low VED level showed superior elongation and tensile strength compared to the wrought alloy, but with a much lower yield strength.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Titanium is ‘n kostelike en moeilike materiaal om te vervaardig, daarom word dit hoofsaaklik gebruik in hoe waarde toepassings. Dit is die uitstekende materiaal karateristieke wat titanium so moeilik maak om te vervaardig met tradisionele vervaardigingsmetodes. In die groeiende bedryf van Additiewe vervaardiging is titanium aangeneem as een van die primere matriale. Die vermoe om ingewikklede parte te vervaardig met baie min materiaal vermorsing is geskik om die probleme van titanium vervaardiging te elimineer. Titanium en titanium allooie is al omvattend in die laser poeierbed samesmelting proses gebruik. Die Ti6Al4V is die primere allooi wat gebruik is. The vervaardigings proses paramters vir die allooi is dus al deeglik geoptimiseer. Die inherente koste van die proses en van die titanium, maak dit baie kostelik om nuwe allooie te ontwikkel vir die vervaardigings proses. Hierdie navorsingstudie ondersoek die gebruik van D-optimale ontwerpeksperimente om die optimale proses parameters vir die TC11 en Ti6246 α+β titanium allooie te bepaal en om 'n wiskundige model te konstrueer wat die porositeit van die alloie voorspel afhangende van die proses parameters. 'n D-optimale ontwerp eksperiment is ontwerp met die gebruik van Design Expert sagteware om die optimale proses parameters te vind en om die terme van die wiskundige model te bepaal. Belowende prosesparameterkombinasies van hierdie eksperiment is toe gebruik om trekmonsters te vervaardig om die meganiese eienskappe van die soos vervaardigde allooie te ondersoek en om dit met die bewerkte allooie te vergelyk. Die Ti6Al4V allooi is ook vervaardig as 'n ander manier om die doeltreffendheid van die D-optimale benadering te bepaal. Die Ti6Al4V-legering is vervaardig met digthede wat wissel van 97 tot 100 %. Die wiskundige model was in staat om die porositeit van monsters met 'n algehele fout van 0.13 % te voorspel. Die TC11 allooi is vervaardig met digthede wat wissel van 97 tot 100 %. Daar is gevind dat die wiskundige model die porositeit van monsters met 'n algehele fout van 0.513 % kan voorspel. Die meganiese eienskappe van die TC11-trekmonsters was beter as die bewerkte allooi in treksterkte en het soortgelyke verlenging gehad. Treksterktes en verlenging van 1511 MPa en 16.8 % is gevind. Die Ti6246 allooi is vervaardig met digthede wat wissel tussen 96.5 en 100%. Die wiskundige model was in staat om die porositeit van monsters te voorspel met 'n gemiddelde fout van 0.129 % tot 1.95 %. Trekmonsters is vervaardig met treksterktes beter as die van die bewerkte alooi, maar met baie lae rekbaarheid vir matige en hoe VED-vlakke (167 en 250 J/mm3). Trekmonsters wat teen 'n lae VED-vlak vervaardig is, het voortreflike verlenging en treksterkte getoon in vergelyking met die bewerkte legering, maar met 'n baie laer treksterkte.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Titanium is ‘n kostelike en moeilike materiaal om te vervaardig, daarom word dit hoofsaaklik gebruik in hoe waarde toepassings. Dit is die uitstekende materiaal karateristieke wat titanium so moeilik maak om te vervaardig met tradisionele vervaardigingsmetodes. In die groeiende bedryf van Additiewe vervaardiging is titanium aangeneem as een van die primere matriale. Die vermoe om ingewikklede parte te vervaardig met baie min materiaal vermorsing is geskik om die probleme van titanium vervaardiging te elimineer. Titanium en titanium allooie is al omvattend in die laser poeierbed samesmelting proses gebruik. Die Ti6Al4V is die primere allooi wat gebruik is. The vervaardigings proses paramters vir die allooi is dus al deeglik geoptimiseer. Die inherente koste van die proses en van die titanium, maak dit baie kostelik om nuwe allooie te ontwikkel vir die vervaardigings proses. Hierdie navorsingstudie ondersoek die gebruik van D-optimale ontwerpeksperimente om die optimale proses parameters vir die TC11 en Ti6246 α+β titanium allooie te bepaal en om 'n wiskundige model te konstrueer wat die porositeit van die alloie voorspel afhangende van die proses parameters. 'n D-optimale ontwerp eksperiment is ontwerp met die gebruik van Design Expert sagteware om die optimale proses parameters te vind en om die terme van die wiskundige model te bepaal. Belowende prosesparameterkombinasies van hierdie eksperiment is toe gebruik om trekmonsters te vervaardig om die meganiese eienskappe van die soos vervaardigde allooie te ondersoek en om dit met die bewerkte allooie te vergelyk. Die Ti6Al4V allooi is ook vervaardig as 'n ander manier om die doeltreffendheid van die D-optimale benadering te bepaal. Die Ti6Al4V-legering is vervaardig met digthede wat wissel van 97 tot 100 %. Die wiskundige model was in staat om die porositeit van monsters met 'n algehele fout van 0.13 % te voorspel. Die TC11 allooi is vervaardig met digthede wat wissel van 97 tot 100 %. Daar is gevind dat die wiskundige model die porositeit van monsters met 'n algehele fout van 0.513 % kan voorspel. Die meganiese eienskappe van die TC11-trekmonsters was beter as die bewerkte allooi in treksterkte en het soortgelyke verlenging gehad. Treksterktes en verlenging van 1511 MPa en 16.8 % is gevind. Die Ti6246 allooi is vervaardig met digthede wat wissel tussen 96.5 en 100%. Die wiskundige model was in staat om die porositeit van monsters te voorspel met 'n gemiddelde fout van 0.129 % tot 1.95 %. Trekmonsters is vervaardig met treksterktes beter as die van die bewerkte alooi, maar met baie lae rekbaarheid vir matige en hoe VED-vlakke (167 en 250 J/mm3). Trekmonsters wat teen 'n lae VED-vlak vervaardig is, het voortreflike verlenging en treksterkte getoon in vergelyking met die bewerkte legering, maar met 'n baie laer treksterkte.
Description
Thesis (MEng) -- Stellenbosch University, 2023.