Electron Beam Wire-fed Deposition of Titanium Alloys for Repair Applications

Additive manufacturing (AM) has revolutionized manufacturing with its numerous advantages and applicability in various sectors.In aerospace, many components are fabricated from high strength materials, such as superalloys and titanium alloys.Hence, it is unsurprising that application of AM to fabricate and/or repair the wrought form of the workhorse titanium alloy -Ti-6Al4Vhas been of considerable research interest.However, during service, the aerospace components will be subjected to wear, corrosion, damage and, in critical loaded structures, high cycle fatigue stresses.Currently, the capability of suitable AM repair techniques to meet performance criteria and extend the service life of these components is unknown.Though full part replacement may be the only viable option in the case of extensive foreign object damage, considering the cost of high value materials and manufacturing sustainability challenges, repair through additive deposition on wrought or AM parts is inevitable.Therefore, reliable and cost efficient AM repair procedures are required for Ti-6Al-4V components in aerospace industry.First, a fully coupled 3D transient thermo-mechanical finite element model was developed to simulate and control the electron beam wire-fed (EB-WF) deposition process.Developed model has been validated using multiple single-layer and 10-layer EB-WF build Ti-6Al-4V coupons.Simple wall geometry wrought plates of 3 mm thickness were used as substrates.Thermocouple measurements were recorded to validate the simulated thermal cycles.The model was proven to be quite reliable in terms of predicted temperatures, residual stresses, and distortion profiles.The average error in the model was as low as 3.7% in terms of thermal predictions.The model proved to be extremely successful for predicting the cooling rates, grain morphology, and the microstructure.Mechanical validation measurements showed that the maximum deviations in the model were as low as 100 MPa in residual stresses and 0.05 mm in distortion.Tensile residual stresses were observed in the deposit and the heat-affected zone, while compressive stresses were observed in the core of the substrate.The highest tensile residual stress observed in the deposit was approximately 1.0 σys (yield strength).The highest distortion on the substrate was approximately 0.2 mm.Since the substrate material in repair applications is component with post-service residual stresses, the effect of initial residual stresses on the repair integrity are critical.Hence, the effect of the Résumé La fabrication additive (FA) a révolutionné la fabrication avec ses nombreux avantages et son applicabilité dans divers secteurs.Dans l'aérospatiale, de nombreux composants sont fabriqués à partir de matériaux à haute résistance, tels que les superalliages et les alliages de titane.Par conséquent, il n'est pas surprenant que l'application de la technologie FA pour fabriquer et/ou réparer la forme corroyée de l'alliage de titane à toute épreuve -Ti-6Al4V -ait suscité un intérêt considérable pour la recherche.Cependant, pendant le service, l'alliage AM sera soumis à l'usure, à la corrosion, aux dommages et, dans les structures chargées critiques, aux contraintes de fatigue cyclique élevée.Actuellement, la capacité des techniques de réparation AM appropriées à répondre aux critères de performance et à prolonger la durée de vie de ces composants est inconnue.Bien que le remplacement complet des pièces par la technologie AM puisse être la seule option viable en cas de dommages importants par des corps étrangers, compte tenu du coût des matériaux de grande valeur et des défis de durabilité de la fabrication, la réparation par dépôt additif sur des pièces en matériau forgé ou AM est inévitable.Par conséquent, des procédures de réparation fiables et rentables sont nécessaires pour le Ti-6Al-4V forgé et AM.Tout d'abord, un modèle d'éléments finis thermomécaniques transitoires 3D entièrement couplé a été développé pour simuler et contrôler le processus EB-WF.Le modèle développé a été validé à l'aide de plusieurs coupons de construction EB-WF monocouche et 10 couches Ti-6Al-4V.Des plaques forgées à géométrie de paroi simple de 3 mm d'épaisseur ont été utilisées comme substrats.Des mesures de thermocouple ont été enregistrées pour valider les cycles thermiques simulés.Le modèle s'est avéré assez fiable en termes de températures prévues, de contraintes résiduelles et de profils de distorsion.L'erreur moyenne du modèle était aussi faible que 3,7 % en termes de prévisions thermiques.Le modèle s'est avéré extrêmement efficace pour prédire les vitesses de refroidissement, la morphologie des grains et la microstructure.Les mesures de validation mécanique ont montré que les déviations maximales du modèle étaient aussi faibles que 100 MPa en contraintes résiduelles et 0,05 mm en distorsion.Des contraintes résiduelles de traction ont été observées dans le dépôt et la zone affectée thermiquement, tandis que des contraintes de compression ont été observées au cœur du substrat.La contrainte résiduelle de traction la plus élevée observée dans le dépôt était d'environ 1,0 σys (limite d'élasticité).La distorsion la plus élevée sur le substrat était d'environ 0,2 mm.

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