Surface Laser Melting of a Carburized LPBF-Manufactured Ti-based Biomedical Grade Alloy

Abstract

Об’єктом даної роботи є дослідження зміни мікроструктури та твердості біомедичного сплаву Ti-6Al-4V, виготовленого за технологією LPBF-друку, в результаті цементації в твердому карбюризаторі та подальшого оплавлення поверхні лазерним променем. Навуглецювання проводили в порошковому карбюризаторі (20 об. % (NH2)2CO, 20 об. % K4Fe(CN)6 та 60 об. % сажі) при 1000 °C впродовж 7 год. Для лазерної обробки використали волоконний лазер «TruFiber 400» (TRUMPF) (довжина хвилі – 1064 нм, потужність – 400 Вт, швидкість сканування – 5 мм·с – 1). Дослідження включали оптичну (GX71 OLYMPUS) та сканувальну електронну мікроскопію (JSM-7000F JEOL), енергодисперсійну спектроскопію (INCAx-sight, Oxford Instruments), рентгенівську дифракцію (X'Pert PRO, PANalytical, Cu-Kα) та вимірювання мікротвердості (LM700AT LECO, навантаження 0,05 кг). Було виявлено, що цементація забезпечила формування шару стабілізованої вуглецем αTi-фази товщиною 440-700 мкм з тонким верхнім шаром, що містить TiC, TiO2 та Al2O3. Після навуглецювання твердість приповерхневого шару склала 720±12 HV, що вдвічі вище твердості основи (322±32 HV). Наступне сканування лазерним променем сформувало оплавлений шар товщиною 60-120 мкм, під яким на глибину до ~ 0,8 мм простяглася зона термічного впливу, що складалась із збагаченого на вуглець голчастого αTi-мартенситу. Оплавлений шар мав дрібнозернисту структуру, яка вміщувала дисперсні включення оксикарбіду Ti(O0,8C0,2) зернистої або дендритної форми. Твердість оплавленого шару становила 1000-1200 HV з подальшим поступовим зниженням вглиб зразка відповідно до зниження вмісту вуглецю. Лазерне оплавлення супроводжувалося утворенням тріщин і усадкових порожнин у приповерхневому шарі. Також воно призвело до підвищення шорсткості поверхні внаслідок її кипіння під лазерним променем, що пов’язано із низькою теплопровідністю сплаву Ti-6Al-4V.

The object of this work is a study of the microstructure and hardness evolution of LPBF-manufactured biomedical alloy Ti-6Al-4V superficially modified by pack carburization and subsequent laser melting. Carburization was conducted in a powder of (NH2)2CO (20 vol. %), K4Fe(CN)6 (20 vol. %), and a carbon black (60 vol. %) at 1000 °C (7 hours). The laser processing was fulfilled by fiber laser «TruFiber 400» (TRUMPF) of 1064 nm wavelength with a power of 400 W and scanning velocity of 5 mm·sec – 1. The investigations included optical (GX71 OLYMPUS) and scanning electron microscopy observations (JSM-7000F JEOL), energy-dispersive X-ray spectroscopy (INCAx-sight, Oxford Instruments), X-ray diffraction (X'Pert PRO, PANalytical, Cu-Kα radiation) and microhardness measurement (LM700AT LECO, under the load of 0.05 kg). It was found that carburization resulted in a 440-700 µm deep carbonrich layer of αTi with an upper thin layer comprising TiC, TiO2, and Al2O3. Carburization led to 720 ± 12 HV in a near-surface layer which is two times the bulk structure (322 ± 32 HV). A consequent laser scanning formed a 60-120 µm wide melted layer followed by the heat-affected zone (having a needle-like αTi-martensite) extended to ~ 0.8 mm depth. The melted layer had a fine-grained structure which included the dispersive particles of an oxycarbide Ti(O0.8C0.2) of both grainy and dendrite-like shapes. Consequently, the hardness of the melted layer rose up to 1000-1200 HV with a further gradual decrease, according to the declining carbon content profile. Laser melting was accompanied by cracks and shrinkage cavities formation. It also led to an increased roughness of the surface caused by its boiling under the laser melting.