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Materialographic Preparation of Specimens Produced by 3D-Printing Technologies

One of the various 3D printing methods is additive laser powder build-up welding. This technique is characterized by coating materials in powder form with the help of laser welding. The desired shape of the specific product is formed by following trajectories which are predefined prior to manufacturing. The energy of the laser melts the used metal powder forming a welding bead.

The final geometry is given its threedimensional contour by the overlapping of the welding beads based on the paths of the predefined trajectories. Optimization of the additive laser powder build-up welding focuses on economical processing with high quality and accuracy. Another focus lies on scalability: large scale on the one hand and implementing microstructures less than 100 µm on the other.1

The materials used for additive laser powder build-up welding are mainly:

  • Metal leve
  • Nickel super alloys
  • Aço
  • Intermetallic materials
  • Hard materials (carbides)

1 Fraunhofer IWS, Additive Manufacturing, 2016

Materialographic Preparation of Specimens Produced by 3D-Printing Technologies

Process of additive laser powder build-up welding

Produção de Aditivos & Moldagem por injeção de pó | Verder Scientific

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Materialographic Preparation Process

In the following, we will demonstrate the materialographic preparation process of a sample produced by additive manufacturing. In materialography, a sample taken from a work piece is called specimen.

A typical materialographic examination includes the following steps:

  • Sectioning e. g. with an abrasive cutter
  • Mounting which offers several advantages for further preparation
  • Grinding/polishing for the preparation of the microstructure

Examination by:

  • Hardness testing
  • Analises de Imagem
 
Materialographic Preparation Process

Cut-Off-Machine setup. Detail: clamped sample (clamping tool: vertical vice single)

For this article a steel sample (X6Cr17, material number: 1.4016) manufactured by additive laser powder build-up welding was investigated. The first step was to obtain a smaller sample piece (=specimen) which is representative of the complete workpiece. This was achieved by using QATM’s precision cutter with a thin CBN (cubic boron nitride) blade (wheel thickness: 0.65 mm, wheel diameter: 153 mm).

The cutting was effected with a pulsed direct cut (0.2 mm forwards and 0.2 mm backwards) with a feed speed of 1 mm/s and a rotational speed of 4500 rpm.

After cutting, the specimen was mounted in a hot mounting material (Epo black) with a hot mounting press to obtain a specimen which is easier to handle. Mounting was carried out at a pressure of 200 bar for 6 minutes at 180°C, followed by a cooling cycle of 6 minutes. Another advantage is the high degree of parallelism of the mounted specimens of 51 µm ±1 µm (the tolerances are based on the caliper used for height measurements of the specimens). The mounted specimens were ground (individual force) and polished (individual force) afterwards with a semiautomated grinding and polishing machine.

The grinding process was divided into two steps. The first one was plane grinding using a silicon carbide (SiC) grinding paper with grit size P240 to remove all deformations caused by the cutting process. This was followed by grinding with a SiC paper with grit size P600 to smoothen the surface for subsequent polishing steps. First, the specimen was prepolished with the hard Galaxy BETA polishing cloth and 9 µm polycrystalline diamond suspension, followed by a medium-hard cloth made of silk and 3 µm poly diamond suspension. The last step, called final polishing, was done on a soft synthetic polishing cloth and Eposil M.

The detailed preparation parameters are indicated in this table:

Etapa Medium Lubrificante / suspensão Velocidade (rpm) Direção do suporte de amostra Carga única (N ) Time (min)
Grinding SiC, P240 água 150 Sentido horário 30 1:00
Grinding SiC P600 água 150 Sentido horário 30 1:00
Polimento BETA álcool, diamante 9 µm(polir) 150 Sentido anti-horário 35 4:30
Polimento GAMMA álcool, diamante 3 µm(polir) 150 Sentido anti-horário 35 4:00
Polimento OMEGA água, Eposil M 100 Sentido horário 30 1:30

Based on this preparation sequence, a finely polished specimen surface was obtained. Figure 1 shows an image taken with an incident optical microscope (incident light) at a magnification of 100.

As the light is reflected almost equally over the whole specimen surface, the microstructure remains invisible. Due to the nature of the human eye, a minimum difference in contrast of 10% is needed to make the contrast visible on any surface. This contrasting is achieved by etching. In our example, the etchant “V2A Beize” for pickling was used to contrast the surface by selective etching of the different phases of the investigated X6Cr17 steel. Etching was done for 45 s and the microstructure is very well discernible as can be seen in the picture.

The microstructure was also contrasted well in the middle of the specimen surface indicating that the whole prepared surface was successfully contrasted as shown in the picture. Figura 2

Exames adicionais, como o teste de dureza, exigem uma superfície plana e lisa para fornecer resultados confiáveis e significativos. O processo de preparação materialográfica descrito acima garante que a amostra esteja idealmente adequada para o teste de dureza. A QATM oferece o Qness 60 A+ para este propósito, um instrumento poderoso para teste de microdureza e avaliação óptica. A superfície polida na Fig. 1 mostra várias trincas. A borda reta à esquerda foi alcançada por fresamento. O contorno das costuras de solda (welded seams) não está visível. Para um exame mais detalhado, o contraste foi aprimorado por ataque químico (etching). A superfície atacada quimicamente é mostrada na Fig. 2. Ela apresenta mais trincas e os pontos coloridos indicam áreas com excesso de ataque químico próximas a várias trincas devido a resíduos do agente de ataque. As costuras de solda, que possuem dimensões diferentes, estão bem visíveis. A técnica de deposição camada por camada efetua o tratamento térmico da camada subjacente. Uma zona afetada pelo calor (ZAC) é formada e causa uma mudança na microestrutura, afetando as propriedades da amostra. Por exemplo, a dureza pode ser reduzida, resultando em estresse mecânico. Como camadas de durezas diferentes são depositadas uma sobre a outra, o estresse mecânico aumenta continuamente e pode levar às chamadas trincas secundárias. Uma razão para a formação de trincas primárias são os gradientes de resfriamento durante a deposição. A Fig. 3 mostra uma ampliação dos cordões de solda individuais e suas correspondentes zonas afetadas pelo calor. O teste de dureza pode revelar as diferenças na dureza das camadas depositadas.

Materialographic Preparation of Specimens Produced by 3D-Printing Technologies

Figura 1: Image of the prepared specimen surface. Due to the polished surface the light is reflected almost equally and the microstructure is not discernible.

Materialographic Preparation of Specimens Produced by 3D-Printing Technologies

Figura 2: Etched specimen using "V2A Beize" (for 45 s). Edge section. The microstructure is clearly discernible.

Materialographic Preparation of Specimens Produced by 3D-Printing Technologies

Figura 3: Contrasted specimen. The welded-based microstructure of the manufactured workpiece is clearly visible.

Teste de dureza na metalurgia do pó

 

Na metalurgia do pó, os testes de dureza exigem parâmetros e procedimentos completamente diferentes em comparação com as aplicações clássicas de teste de dureza. As amostras precisam ser bem preparadas para viabilizar o teste de dureza. O pó deve ser embutido em resina, por exemplo, com uma prensa de montagem a quente, e, em seguida, a amostra metalográfica deve ser polida para obter uma superfície limpa para o teste de dureza.

Fusão seletiva a laser (SLM)

A fusão seletiva a laser (SLM) é utilizada para produzir ligas de alumínio que possuem uma resistência muito superior ao metal puro. No processo SLM, o pó de alumínio é depositado em uma camada fina (geralmente entre 15 e 500 μm) sobre uma placa base e então fundido. Os componentes produzidos dessa forma apresentam uma dureza de 115 a 130 HV, o que requer forças de teste superiores a 100 g. Para o pó de alumínio em nosso exemplo, espera-se uma dureza de 125 a 130 HV, de modo que os resultados com forças de teste superiores a 100 g (HV0.1) estejam em conformidade com as normas Vickers DIN EN ISO e ASTM (requisito padrão: diagonal da impressão Vickers >20 μm). Se forem utilizadas forças de teste menores no testador de dureza, é possível testar partículas mais finas, mas isso não estaria em conformidade com o padrão.

Figura 1: A microestrutura da liga de alumínio fabricada aditivamente - 5x

Figura 1: A microestrutura da liga de alumínio fabricada aditivamente - 5x

Materialographic Preparation of Specimens Produced by 3D-Printing Technologies

Figura 2: Espessura de uma camada fabricada aditivamente, medida com o software de teste de dureza - 5x

Figura 3: Comparação dos tamanhos das impressões Vickers - 20x

Figura 3: Comparação dos tamanhos das impressões Vickers - 20x

Figura 4: Dureza: 129 HV0.1, testada no centro da seção transversal - 10x

Figura 4: Dureza: 129 HV0.1, testada no centro da seção transversal - 10x

Requisitos para testadores de dureza na metalurgia do pó

  • Baixas forças de teste Vickers
  • Alta precisão no movimento de deslizamento e da torre
  • Sistema de medição óptica com alto contraste em grandes ampliações
  • Operação simples
  • Gestão e geração de relatórios de resultados estruturados

Conclusão

Para comprovar a qualidade de materiais em pó, é necessário um potente microdurômetro Vickers como o QATM Qness 60. Dependendo da quantidade de amostras testadas, tanto a versão semiautomática simples "M" quanto os modelos profissionais totalmente automatizados "A+" são a escolha perfeita para aplicações com materiais em pó. Dependendo da força de teste e da preparação da superfície, os durômetros são capazes de utilizar a avaliação automática de imagem integrada, além do ajuste automático de brilho e foco. A ferramenta de relatório e as funções de exportação permitem a criação de protocolos de teste ou a exportação de dados para sistemas de gerenciamento de dados.

QATM Produtos & Contato

A QATM oferece uma ampla gama de instrumentos inovadores e robustos para materialografia, metalografia e testes de dureza. Nossos especialistas conhecem os requisitos de cada ramo da indústria e ficarão felizes em ajudá-lo a encontrar a solução certa para sua aplicação.