The Constitutive and Damage Models of Additively Manufactured Ti6al4v Alloy

Abstract

Electron Beam Melting (EBM) is one of the metal additive manufacturing methods that enable the fabrication of Ti6Al4V alloy parts with intended shapes in where this alloy is of significant interest such as aerospace and biomedical industries due to its outstanding properties. In this study, the microstructural and mechanical properties of EBM-produced Ti64 were comprehensively investigated. Microstructural analysis was conducted on as-built specimens. Microstructural analysis showed that EBM-produced Ti64 possesses α+β duplex phase with directional microstructural alterations and high porosity fraction in the part volume. Mechanical properties were investigated under tension loadings at quasi-static rates (0.001-0.1 1/s) and compression loading at quasi-static and high strain rates (0.001-2154 1/s). Thereafter, Johnson-Cook (JC) strength and damage models were individually calibrated from the experimental results of tension and compression behaviors and experimental fracture strains in order to numerically predict the material flow behavior of EBM-produced Ti64 considering the strain, strain rate, and temperature effects in the case of various loadings combined with temperature changes. EBM-produced Ti64 exhibited proximate mechanical properties in terms of tension and compression behaviors, however extremely low ductile behavior under tension loadings resulting premature failure without necking. Eventual fracture of this material occurred via tearing of the scanned layers for tension loadings and shear crack following the shear band formation propagation on 45° to loading axis for compression loadings. Calibrated JC strength and damage models for EBM-produced Ti64 were able to predict flow behavior and fracture strains within strain rate range between 0.001 and 1000 1/s. However, the JC strength model could not predict the flow behavior at excessively high strain rates (2154 1/s) due to complex deformation mechanisms including adiabatic heating.

Elektron Işını ile Ergitme (Electron Beam Melting) (EBM), öne çıkan özelliklerinden dolayı havacılık ve biyomedikal endüstrileri gibi büyük ilgi duyulan yerlerde, Ti6Al4V alaşımı parçaların doğrudan istenilen geometrilerde üretilmesini sağlayan metal eklemeli imalat yöntemlerinden biridir. Bu çalışmada, EBM ile üretilen Ti64'ün mikroyapısal ve mekanik özellikleri kapsamlı bir şekilde araştırılmıştır. Mikroyapısal analizler üretilen numuneler üzerinde yapılmıştır. Mikroyapısal analiz, EBM ile üretilen Ti64'ün yönsel mikroyapısal değişiklikler gösteren α+β ikili fazına ve hacimce yüksek gözenek oranına sahip olduğunu göstermiştir. Mekanik özellikler kuasi-statik hızlarda (0.001-0.1 1/s) çekme yükleri ile yarı statik ve yüksek gerinim hızlarında (0.001-2154 1/s) basma yükleri altında incelenmiştir. Daha sonrasında, EBM ile üretilen Ti64'ün sıcaklık değişimleri ile birlikte çeşitli yükleme durumlarında malzeme akma davranışını gerinim, gerinim oranı ve sıcaklık etkilerini dikkate alarak numerik olarak tayin etmek için, Johnson-Cook (JC) mukavemet ve hasar modelleri, çekme ve basma davranışlarının deneysel sonuçlarından ve deneysel kırılma gerinimlerinden ayrı ayrı kalibre edilmiştir. EBM ile üretilen Ti64, çekme ve basma davranışları açısından literatür ile yakın mekanik özellikler göstermiştir, ancak çekme yükleri altında boyun verme olmadan erken kopma ile sonuçlanan son derece düşük sünek davranış göstermiştir. Bu malzemenin nihai kopması çekme yükleri için taranmış tabakaların ayrılması ve basma yükleri için yükleme eksenine 45°' de kesme bandı oluşumunun ardından kesme kırığı ile meydana gelmiştir. EBM ile üretilen Ti64 için kalibre edilmiş JC mukavemet ve hasar modelleri, 0.001 ve 1000 1/s arasındaki gerinim hızı aralığında akış davranışını ve kırılma gerilmelerini tayin edebilmektedir. Ancak, JC mukavemet modeli adyabatik ısıtmayı da içeren karmaşık deformasyon mekanizmaları nedeniyle aşırı yüksek gerinim hızlarında (2154 1/s) akış davranışını tahmin edememiştir.