Published November 30, 2022 | Version v1
Publication Open

Additive Manufacturing of Binary Ni–Ti Shape Memory Alloys Using Electron Beam Powder Bed Fusion: Functional Reversibility Through Minor Alloy Modification and Carbide Formation

Creators

  • 1. University of Kassel
  • 2. Leibniz Institute for Solid State and Materials Research
  • 3. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas
  • 4. Institute of Physics Rosario
  • 5. National University of Rosario
  • 6. University of Toledo
  • 7. Fraunhofer Institute for Machine Tools and Forming Technology
  • 8. TU Bergakademie Freiberg

Description

Abstract Shape memory alloys (SMAs), such as Ni–Ti, are promising candidates for actuation and damping applications. Although processing of Ni–Ti bulk materials is challenging, well-established processing routes (i.e. casting, forging, wire drawing, laser cutting) enabled application in several niche applications, e.g. in the medical sector. Additive manufacturing, also referred to as 4D-printing in this case, is known to be highly interesting for the fabrication of SMAs in order to produce near-net-shaped actuators and dampers. The present study investigated the impact of electron beam powder bed fusion (PBF-EB/M) on the functional properties of C-rich Ni 50.9 Ti 49.1 alloy. The results revealed a significant loss of Ni during PBF-EB/M processing. Process microstructure property relationships are discussed in view of the applied master alloy and powder processing route, i.e. vacuum induction-melting inert gas atomization (VIGA). Relatively high amounts of TiC, being already present in the master alloy and powder feedstock, are finely dispersed in the matrix upon PBF-EB/M. This leads to a local change in the chemical composition (depletion of Ti) and a pronounced shift of the transformation temperatures. Despite the high TiC content, superelastic testing revealed a good shape recovery and, thus, a negligible degradation in both, the as-built and the heat-treated state.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

تعد سبائك ذاكرة الشكل التجريدي (SMAs)، مثل Ni - Ti، مرشحة واعدة لتطبيقات التشغيل والتخميد. على الرغم من أن معالجة المواد السائبة Ni - Ti صعبة، إلا أن طرق المعالجة الراسخة (مثل الصب والتزوير ورسم الأسلاك والقطع بالليزر) مكنت التطبيق في العديد من التطبيقات المتخصصة، على سبيل المثال في القطاع الطبي. من المعروف أن التصنيع الإضافي، الذي يشار إليه أيضًا باسم الطباعة رباعية الأبعاد في هذه الحالة، مثير للاهتمام للغاية لتصنيع SMAs من أجل إنتاج مشغلات ومخمدات على شكل شبكة قريبة. بحثت الدراسة الحالية في تأثير اندماج قاع مسحوق شعاع الإلكترون (PBF - EB/M) على الخصائص الوظيفية لسبائك Ni 50.9 Ti 49.1 الغنية بـ C. كشفت النتائج عن خسارة كبيرة في Ni أثناء معالجة PBF - EB/M. تتم مناقشة علاقات خصائص البنية المجهرية للعملية في ضوء السبائك الرئيسية المطبقة وطريق معالجة المسحوق، أي انحلال الغاز الخامل بالحث على التفريغ (VIGA). يتم تشتيت كميات كبيرة نسبيًا من TiC، الموجودة بالفعل في السبيكة الرئيسية والمواد الأولية للمسحوق، بدقة في المصفوفة على PBF - EB/M. وهذا يؤدي إلى تغيير موضعي في التركيب الكيميائي (استنفاد Ti) وتحول واضح في درجات حرارة التحويل. على الرغم من ارتفاع محتوى TiC، كشف الاختبار فائق المرونة عن انتعاش جيد في الشكل، وبالتالي تدهور ضئيل في كل من الحالة المبنية والمعالجة حراريًا.

Translated Description (French)

Les alliages à mémoire de forme abstraite (SMA), tels que le Ni–Ti, sont des candidats prometteurs pour les applications d'actionnement et d'amortissement. Bien que le traitement des matériaux en vrac Ni–Ti soit difficile, des voies de traitement bien établies (c.-à-d. moulage, forgeage, tréfilage, découpe au laser) ont permis une application dans plusieurs applications de niche, par exemple dans le secteur médical. La fabrication additive, également appelée impression 4D dans ce cas, est connue pour être très intéressante pour la fabrication de SMA afin de produire des actionneurs et des amortisseurs en forme de quasi-réseau. La présente étude a étudié l'impact de la fusion du lit de poudre par faisceau d'électrons (PBF-EB/M) sur les propriétés fonctionnelles de l'alliage Ni 50,9 Ti 49,1 riche en C. Les résultats ont révélé une perte significative de Ni lors du traitement PBF-EB/M. Les relations de propriétés de la microstructure du processus sont discutées compte tenu de la voie de traitement de l'alliage maître et de la poudre appliquée, c'est-à-dire l'atomisation de gaz inerte par fusion par induction sous vide (VIGA). Des quantités relativement élevées de TiC, déjà présentes dans l'alliage maître et la charge de poudre, sont finement dispersées dans la matrice sur PBF-EB/M. Cela conduit à un changement local de la composition chimique (épuisement du Ti) et à un changement prononcé des températures de transformation. Malgré la teneur élevée en TiC, les tests superélastiques ont révélé une bonne récupération de forme et, par conséquent, une dégradation négligeable à la fois à l'état brut de construction et à l'état traité thermiquement.

Translated Description (Spanish)

Las aleaciones de memoria de forma (SMA), como el Ni–Ti, son candidatos prometedores para aplicaciones de accionamiento y amortiguación. Aunque el procesamiento de materiales a granel de Ni–Ti es un desafío, las rutas de procesamiento bien establecidas (es decir, fundición, forja, trefilado, corte por láser) permitieron la aplicación en varias aplicaciones de nicho, por ejemplo, en el sector médico. Se sabe que la fabricación aditiva, también conocida como impresión 4D en este caso, es muy interesante para la fabricación de SMA para producir actuadores y amortiguadores con forma casi neta. El presente estudio investigó el impacto de la fusión de lecho de polvo de haz de electrones (PBF-EB/M) en las propiedades funcionales de la aleación de Ni 50.9 Ti 49.1 rica en C. Los resultados revelaron una pérdida significativa de Ni durante el procesamiento de PBF-EB/M. Las relaciones de las propiedades de la microestructura del proceso se discuten en vista de la aleación maestra aplicada y la ruta de procesamiento del polvo, es decir, la atomización de gas inerte por fusión por inducción al vacío (Viga). Cantidades relativamente altas de TiC, que ya están presentes en la aleación maestra y la materia prima en polvo, se dispersan finamente en la matriz tras PBF-EB/M. Esto conduce a un cambio local en la composición química (agotamiento de Ti) y un cambio pronunciado de las temperaturas de transformación. A pesar del alto contenido de TiC, las pruebas superelásticas revelaron una buena recuperación de la forma y, por lo tanto, una degradación insignificante tanto en el estado de construcción como en el de tratamiento térmico.

Files

s40830-022-00400-2.pdf.pdf

Files (2.2 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:ba87561e18f720fdd82bf349af9c32a7
2.2 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
التصنيع الإضافي لسبائك الذاكرة ثنائية الشكل Ni - Ti باستخدام دمج سرير مسحوق شعاع الإلكترون: الانعكاس الوظيفي من خلال تعديل السبائك الطفيف وتشكيل الكربيد
Translated title (French)
Fabrication additive d'alliages binaires à mémoire de forme Ni–Ti à l'aide d'une fusion de lit de poudre de faisceau d'électrons : réversibilité fonctionnelle par modification mineure de l'alliage et formation de carbure
Translated title (Spanish)
Fabricación aditiva de aleaciones binarias con memoria de forma de Ni–Ti utilizando fusión de lecho de polvo de haz de electrones: reversibilidad funcional a través de la modificación de aleaciones menores y la formación de carburo

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4310436941
DOI
10.1007/s40830-022-00400-2

Is supplement to
https://openalex.org/W607830317 (Other)
https://openalex.org/W569866225 (Other)
https://openalex.org/W4317821343 (Other)
https://openalex.org/W4286696919 (Other)
https://openalex.org/W4248728923 (Other)
https://openalex.org/W4241076089 (Other)
https://openalex.org/W2900265245 (Other)
https://openalex.org/W2246404187 (Other)
https://openalex.org/W2056723064 (Other)
https://openalex.org/W1987139697 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Argentina

References

  • https://openalex.org/W108178330
  • https://openalex.org/W1958452866
  • https://openalex.org/W1969109224
  • https://openalex.org/W1980577713
  • https://openalex.org/W1982793662
  • https://openalex.org/W1984367625
  • https://openalex.org/W1991149946
  • https://openalex.org/W1996647576
  • https://openalex.org/W2022819635
  • https://openalex.org/W2025248774
  • https://openalex.org/W2032093899
  • https://openalex.org/W2033289859
  • https://openalex.org/W2035150236
  • https://openalex.org/W2063926364
  • https://openalex.org/W2064003026
  • https://openalex.org/W2084151324
  • https://openalex.org/W2085394777
  • https://openalex.org/W2143021786
  • https://openalex.org/W2163192098
  • https://openalex.org/W2321856615
  • https://openalex.org/W2346076785
  • https://openalex.org/W2474150156
  • https://openalex.org/W2518533172
  • https://openalex.org/W2530983450
  • https://openalex.org/W2761714291
  • https://openalex.org/W2795163069
  • https://openalex.org/W2811355386
  • https://openalex.org/W2904240611
  • https://openalex.org/W2905094910
  • https://openalex.org/W2909678645
  • https://openalex.org/W2923713154
  • https://openalex.org/W2998711797
  • https://openalex.org/W3006792340
  • https://openalex.org/W3015347953
  • https://openalex.org/W3022225640
  • https://openalex.org/W3129369195
  • https://openalex.org/W3134344007
  • https://openalex.org/W3135694445
  • https://openalex.org/W3167673749
  • https://openalex.org/W3205867453
  • https://openalex.org/W3210871689
  • https://openalex.org/W4230228269