Laser Metal Deposition using Alloy 718 Powder

112 Pages·2017·26.41 MB·English

A PhD Thesis
N
D Production Technology
R
E 2017 No. 12
A
S
S
E
G
Laser Metal Deposition using E
R
S
T
A
Alloy 718 Powder R
K Laser Metal Deposition using
Influence of Process Parameters on Material Characteristics
Alloy 718 Powder
Laser Metal Powder Deposition (LMPD) is an AM method which builds components by L
A
fusing metallic powder together with a metallic substrate, using a laser as energy source. S
E Influence of Process
The powder is supplied to the melt-pool, which is created by the laser, through a powder R
M
nozzle, which can be lateral or coaxial. Both the powder nozzle and laser optics are mount- E Parameters on Material Characteristics
T
ed on a guiding system, normally a computer numerical control (CNC) machine or a robot. A
L
D
E
The main part of this study has been focused on correlating the main process parameters P Andreas Segerstark
O
to effects found in the material, which in this project is the superalloy Alloy 718. It has S
IT
been found that the most influential process parameters are the laser power, scanning IO
speed, powder feeding rate and powder standoff distance. These process parameters N
U
have a significant effect on the temperature history of the material which, among oth- S
IN
ers, affects the grain structure, phase transformation, and cracking susceptibility of the G
material. A
L
L
O
Y
7
1
8
P
O
W
D
E
R

Andreas Segerstark
BILD PÅ
Obtained his bachelor degree in product development at University West in
PERSONEN 2012 and earned his master degree in manufacturing engineering in 2013,
HÄR also at University West. Directly after he finished his master program he
started his PhD studies. His research interest includes additive manufac-
turing, material characterization and process optimization.
2
0
1
7
ISBN 978-91-87531-68-2 (Printed) N
O
ISBN 978-91-87531-67-5 (Electronic) .12

Tryck: BrandFactory AB, november 2017.
PhD Thesis
Production Technology
2017 No. 12
Laser Metal Deposition using
Alloy 718 Powder
Influence of Process
Parameters on Material Characteristics
Andreas Segerstark
University West
SE-46186 Trollhättan
Sweden
[phone]
www.hv.se

© Andreas Segerstark, 2017
ISBN 978-91-87531-68-2 (Printed)
ISBN 978-91-87531-67-5 (Electronic)
Acknowledgements
I would like to start off by expressing my gratitude to my supervisors Joel
Andersson and Lars-Erik Svensson for mentoring and supporting me through my
PhD studies. It has been a pleasure to discuss and learn from your extensive
experience and knowledge. I also want to take the opportunity to thank Kjell
Hurtig for his time and effort in performing the experiments and by contributing
with his empirical knowledge of the applied process part of the work. Peter
Jonsson, Staffan Brodin, Jan Häggander and Jimmy Johansson at GKN
Aerospace also deserve my gratitude for their input from an industrial point of
view and for sharing their knowledge about the material and its application. To
Olanrewaju Ojo and the others at University of Manitoba; it was a wonderful
experience to get to know you during my 2 month excursion to Winnipeg and I
appreciate all the help and kindness I received from you! I also want to
acknowledge The Swedish National Space Board, GKN Aerospace, Region
Västra Götaland and The Swedish Agency for Economic and Regional Growth
for funding this project. Additionally, I would like to express my deepest
appreciation to all my colleagues at PTW who always been there to answer all of
my question and supporting in all and any way, thank you! Lastly but not least, I
would like to express my love and gratitude to my wonderful wife Linette. Thank
you for your patience and support!

Andreas Segerstark
Trollhättan, 12th of November 2017
iii

Populärvetenskaplig Sammanfattning
Nyckelord: Additiv tillverkning; Lasermetalldeponering; Pulver; Superlegering;
Materialkarakterisering
Additiv tillverkning (AM) är en generell term som används för
tillverkningsmetoder med kapabilitet att producera komponenter direkt från en
digital 3D-modell. Detta görs genom att tillföra material skiktvis till dess att den
slutgiltiga geometrin är uppnådd. Några nämnvärda AM-teknologier är
pulverbädd, laminerad objekttillverkning och riktad energideponering. Den
teknologi som används i detta projekt faller under den sistnämnda kategorin och
kallas för lasermetalldeponering med pulver som tillsatsmaterial (LMPD).
LMPD nyttjar vanligtvis ett fleraxligt styrbord eller en robot för att kontrollera
laserns och pulvermunstyckets rörelse över den yta där deponeringen utförs.
Komponenter byggs således upp genom att selektivt addera material i form av
svetssträngar, bredvid varandra och i skikt, till dess att komponenten är
färdigställd.
LMPD:s styrka inom tillverkningsindustrin är kanske inte främst som en metod
för att producera kompletta komponenter utan snarare som en metod för att
förädla simplare gjutgods, alternativt smiden, genom en ökad komplexitet i form
av selektivt adderat material. Detta kan reducera materialsvinn avsevärt för vissa
utvalda komponenter där endast en liten fraktion av det initiala materialet
bibehålls i den slutgiltiga produkten. En ytterligare applikation för denna
teknologi är som reparationsmetod för komponenter där en låg värmetillförsel är
av största vikt. Detta kan till exempel gälla känsliga komponenter där för höga
temperaturer riskerar att äventyra integriteten hos komponenten genom
förändrad mikrostruktur, deformation eller sprickbildning.
Fokus i detta arbete har varit att hitta samband mellan de primära
processparametrarna och deras inverkan på materialet, som i detta projekt var
superlegering 718. Det har visats i detta projekt att de processparametrar som har
störst inverkan på materialet är lasereffekten, framföringshastigheten,
pulvermatningshastigheten och pulverfokusförskjutningen. Vidare har det visats
att dessa parametrar har en signifikant inverkan på fasformation, fasomvandling,
kornstruktur och sprickbildning i det byggda materialet. För att förbättra
förståelsen av processparametrarnas inverkan på materialet så har
temperaturmätningar utförts med hjälp av en temperaturmätningsmetod som har
utvecklats och utvärderats i detta projekt. Temperaturmätningarna utfördes med
termoelement som skyddades med tunna rostfria plåtar. Dessa plåtar skyddade
termoelementet från laserstrålens inverkan som annars skulle störa
temperaturmätningarna eller skada termoelementen.
v