Импульсный лазер

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 22247 (2022) Цитировать эту статью

3003 Доступа

4 цитаты

Подробности о метриках

Аддитивное производство металлов (АП) позволяет быстро изготавливать сложные детали по индивидуальному заказу. Однако это приводит к образованию столбчатых зеренных структур, которые придают деталям АМ анизотропные свойства. В этом исследовании мы предлагаем метод импульсного лазерного АМ (PLAAM) для измельчения зерна на месте деталей Ti-6Al-4V. Наносекундный импульсный лазер фокусировался на ванне расплава, чтобы создать благоприятную среду для продвижения мелких равноосных зерен. Метод PLAAM обеспечил средний размер зерен предшествующего β 549,6 мкм по сравнению с размером 1297 мкм, полученным при использовании обычного метода AM. При этом максимальное значение кратности равномерного распределения β-фазы при использовании метода PLAAM снизилось с 16 до 7,7, что свидетельствует об ослаблении кристаллографической текстуры. Эти изменения подтверждают, что предложенный метод PLAAM способствует созданию более мелких и равноосных зерен предшествующего β. Кроме того, поскольку предлагаемая технология является бесконтактной, ее можно применять к существующим процессам без корректировки траектории движения инструмента.

Аддитивное производство металлов (АП) — это широко используемый послойный процесс для быстрого прототипирования и изготовления сложных трехмерных металлических конструкций1. Однако невыгодные анизотропные свойства растяжения и усталости крупностолбчатых структур деталей АМ препятствуют широкому использованию АД в обрабатывающей промышленности2,3. В типичных процессах АМ внутри небольших ванн расплава образуются крутые температурные градиенты, что приводит к сильному эпитаксиальному росту столбчатых зерен в направлении наращивания2,3.

Среди различных металлических АМ-материалов Ti-6Al-4V является наиболее исследованным материалом благодаря его превосходной применимости в биомедицинской и аэрокосмической промышленности1. Однако, поскольку типичные детали AM Ti-6Al-4V имеют крупные столбчатые зерна предшествующего β, они проявляют анизотропные свойства при растяжении1. Таким образом, продвижение мелких равноосных зерен в деталях AM стало важной темой исследований для улучшения их свойств на растяжение3.

Были предложены различные способы введения равноосных зерен в детали АМ. Было доказано, что введение дополнительных частиц для содействия активной нуклеации эффективно способствует переходу от столбчатого к равноосному переходу, хотя изменения в составе материала неизбежны4,5,6. Также были предложены методы последующей обработки, такие как межпроходная прокатка7, механическая молотковая обработка8, ультразвуковая ударная обработка9 и лазерная ударная обработка10,11. Однако, поскольку эти методы применяются после затвердевания слоев, они требуют больше времени на обработку и могут ограничить сложность деталей AM. АМ с помощью ультразвука решает эту проблему, направляя высокую энергию ультразвука в ванну расплава12. Однако к нижней части опорной пластины необходимо прикрепить ультразвуковой преобразователь, чтобы эффективно передавать достаточную энергию для перемешивания ванны расплава. Для применения данной методики контактного типа необходимо решить проблемы реализации, поскольку трудно обеспечить устойчивое воздействие на движущуюся ванну расплава с ее трехмерной траекторией. Недавно была исследована доставка локализованной ультразвуковой энергии внутрь ванны расплава посредством модулированного по интенсивности лазерного излучения для измельчения зерен на месте13. В качестве доказательства концепции метод был проверен на пластине из нержавеющей стали, показав, что лазер с модулированной интенсивностью может одновременно выполнять плавление поверхности и генерацию ультразвука. Между тем, недавно был предложен АМ с синхронным индукционным нагревом для контроля микроструктуры на месте. Однако остается задача стабильного применения технологии для деталей произвольной формы14.

В этом исследовании мы предлагаем метод импульсного лазерного АМ (PLAAM) для измельчения предшествующих β-зерен деталей Ti-6Al-4V во время лазерно-направленного энерговыделения (DED). Наносекундный импульсный лазер был включен в систему DED для подачи высокой импульсной энергии в ванну расплава во время AM. Поскольку PLAAM представляет собой бесконтактный метод воздействия на ванну расплава, его можно применять для АМ сложных объектов произвольных размеров и форм. Вдохновленный ультразвуковым методом контактного типа12 и хорошо зарекомендовавшим себя импульсным лазерным воздействием на жидкости15, предлагаемый метод использует лазерно-индуцированные ударные волны, кавитацию и ускоренный поток Марангони внутри ванны расплава для создания благоприятной среды для образования мелкодисперсной пленки. равноосная пред-β-зеренная структура.