Analyse van scheurpropagatie en breuktaaiheid bij selectief laser gesmolten proefstukken in titanium

Vermoeiingsgedrag van selectief lasergesmolten onderdelen in de luchtvaart.

Heb jij je ook al eens afgevraagd waarom vliegtuigen zoals een Boeing 737 of een Airbus A320, die jaarlijks miljoenen kilometers afleggen, niet plotseling uit de lucht kunnen vallen? Het wordt misschien nog akeliger als je weet dat in elk vliegtuig kleine scheuren aanwezig zijn en dat die scheuren zelfs groter worden tijdens elke vlucht. Mede dankzij de breukmechanica kan dat scheurgroeiproces echter onder controle gehouden worden en is het vliegtuig vandaag een van de veiligste transportmiddelen.

In de hedendaagse luchtvaart is titanium het metaal bij uitstek; het soortelijk gewicht ervan bedraagt ongeveer de helft van staal, maar toch is titanium minstens even sterk. Meestal worden titaniumonderdelen geproduceerd door gebruik te maken van verspanende technieken. Dat zijn technieken waarbij je uit één blok het benodigde onderdeel freest of draait, vergelijkbaar met een beeldhouwer die zijn beelden maakt uit een groot blok steen. Het materiaal dat bij het verspanen verwijderd wordt, gaat verloren en is dus afval. Als je nu weet dat het in de luchtvaartsector niet ongebruikelijk is om voor 1 kg nuttige component tot 10 kg spanen te creëren en dat de aankoopprijs van titanium € 80/kg bedraagt, dan heb je al snel in de gaten dat dit een dure onderneming is.

Zou het nu niet makkelijker zijn om de gewenste component zonder afval te creëren? Dat is mogelijk via het selectief lasersmelten (‘SLM’). Bij dat proces wordt de benodigde component laag na laag met een dikte van slechts enkele tientallen micrometers opgebouwd. Iedere laag wordt gecreëerd en verbonden met de voorgaande laag. Dat gebeurt door zeer fijn titaniumpoeder met behulp van een laser te smelten. Via dat procedé wordt het gewenste onderdeel nu zonder problemen gevormd. Je wilt er natuurlijk wel zeker van zijn dat een vliegtuig met SLM-stukken even veilig is, dus hoe zit het met mechanische eigenschappen zoals breuktaaiheid en scheurgroeisnelheid van die SLM-componenten?

Breuktaaiheid en scheurgroeisnelheid vallen onder de noemer van de breukmechanica en zijn belangrijke materiaaleigenschappen met betrekking tot het falen van componenten. Breuktaaiheid geeft aan hoe zwaar je een onderdeel mag belasten vooraleer het doorbreekt als er scheuren in dat onderdeel aanwezig zijn. Scheurgroeisnelheid is dan weer de snelheid waarmee een scheur zal groeien in een materiaal als dat aan een cyclische belasting onderworpen is. Ongetwijfeld heb je al eens in een vliegtuig gezeten waarin je uitzicht had op de vleugels. Mogelijks heb je dan gemerkt dat die vleugels tijdens de vlucht zachtjes op en neer bewegen. Dat is een cyclische belasting.

Om de robuustheid van het SLM-proces te onderzoeken is ervoor gekozen om enerzijds zelf SLM-teststukken te maken op de Laser Manufacturing-machine, een experimentele machine die op het departement werktuigkunde afdeling PMA van de K.U. Leuven ontworpen en gebouwd is. Anderzijds is de keuze gemaakt om identieke teststukken te laten maken door Layerwise, dit is een firma die specifiek SLM stukken maakt voor de bedrijfswereld. Daarnaast zijn ook referentie teststukken gebouwd uit standaard titanium blokken om de gebruikte testprocedure te valideren.

De breuktaaiheid van het geteste referentiemateriaal bedraagt 67,8 MPa*m^0.5 en stemt overeen met resultaten uit de wetenschappelijke literatuur. Concreet wil dat zeggen dat de aangelegde belasting in combinatie met de aanwezige scheurlengte in het titanium nooit een waarde hoger dan 67,8 MPa*m^0.5 mag bereiken, anders zal het titanium plots breken. Uit de resultaten van het referentiemateriaal kunnen we besluiten dat de toegepaste testprocedure representatief is, ze zal dus ook betrouwbare resultaten geven als ze op het SLM-materiaal wordt toegepast.

Voor het SLM-materiaal bedraagt de breuktaaiheid van de stukken vervaardigd op de LM-machine 50,2 MPa*m^0.5. De stukken van Layerwise scoren slechter; de breuktaaiheid bedraagt daarbij 37,6 MPa*m^0.5. Ook op het gebied van scheurgroeisnelheid blijkt dat de scheur in de stukken van Layerwise bij eenzelfde cyclische belasting sneller zal groeien dan in de eigengebouwde stukken op de LM-machine. Maar waarom scoren deze stukken nu slechter? Tijdens het doorsnijden van de stukken en het bekijken onder de microscoop bleek duidelijk dat in de stukken van Layerwise poriën aanwezig zijn in het middendeel van het materiaal. Die poriën zijn het gevolg van de gekozen scanstrategie. Dat is de weg die de laser aflegt tijdens het bestralen van het poederbed. Aangezien de scheur door poriën in het middendeel van het materiaal makkelijker zal groeien, is het logisch dat de stukken van Layerwise slechter scoren.

Het verschil in resultaten tussen het referentiemateriaal (67,8 MPa*m^0.5) en het SLM-materiaal geproduceerd op de LM-machine (50,2 MPa*m^0.5) is te verklaren aan de hand van de microstructuur. Door de bestraling van het poederbed door de laser en de zeer snelle afkoeling nadien zal in het SLM-materiaal een naaldachtige microstructuur met veel restspanningen gevormd worden. De microstructuur van het referentiemateriaal heeft door zijn fabricageproces ruimschoots de tijd gekregen om zich rustig te vormen en heeft geen last van die restspanningen. Doordat er restspanningen aanwezig zijn in het SLM-materiaal zal dat minder ductiel kunnen reageren, waardoor het SLM-materiaal slechter scoort op het gebied van breuktaaiheid en scheurgroeisnelheid.

Uiteindelijk is het de bedoeling om SLM-stukken te maken met dezelfde eigenschappen als het referentiemateriaal. Dat kan door het SLM–proces verder te verbeteren. Ook een gepaste warmtebehandeling van SLM-stukken is een mogelijkheid. Zo’n warmtebehandeling kun je vergelijken met een sauna: door de warmte gaat het SLM-materiaal zich ontspannen, waardoor de thermische restspanningen zullen verdwijnen en de breuktaaiheids- en scheurgroeisnelheidseigenschappen zullen verbeteren.  

Samenvattend kan gesteld worden dat deze masterproef zeker een nuttige bijdrage heeft gevormd in het onderzoek naar de bruikbaarheid van SLM- en andere additive manufacturing-technieken bij het vervaardigen van onderdelen voor de luchtvaart. Hoewel dit onderzoek nog in een vroeg stadium verkeert, is toch al duidelijk dat AM-technieken de luchtvaart in de komende decennia drastisch zullen veranderen. De eindeloze ontwerpmogelijkheden zullen zonder twijfel bijdragen tot een kleinere ecologische voetafdruk van de luchtvaartindustrie. Dat is immers essentieel voor een succesvolle toekomst.