Измерения ванны расплава in situ для лазерной плавки порошкового слоя с использованием мультисенсорного и корреляционного анализа

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 13716 (2022) Цитировать эту статью

3220 Доступов

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Лазерная сварка порошкового слоя является многообещающей технологией для локального осаждения и контроля микроструктуры, но она страдает от таких дефектов, как расслоение и пористость, из-за отсутствия понимания динамики ванны расплава. Для изучения фундаментального поведения ванны расплава необходимы как геометрические, так и термические измерения с высоким пространственным и временным разрешением. В этой работе применяются и объединяются три передовые технологии измерения: синхротронная рентгеновская визуализация, высокоскоростная ИК-камера и ИК-камера с высоким пространственным разрешением для характеристики эволюции формы ванны расплава, замочной скважины, парового шлейфа и термической эволюции в Ti. Корпуса точечной плавки из нержавеющей стали –6Al–4V и 410. Помимо представления возможностей обнаружения, в этой статье разрабатывается эффективный алгоритм высокоскоростной рентгеновской визуализации для точного определения геометрии ванны расплава. Для ИК-данных также реализованы методы предварительной обработки для оценки значения излучательной способности и экстраполяции насыщенных пикселей. Выполняются количественные оценки граничных скоростей, размеров ванны расплава, температурных градиентов и скоростей охлаждения, что позволяет в будущем провести всесторонний анализ динамики ванны расплава и анализа микроструктуры. Исследование обнаруживает сильную корреляцию между тепловыми и рентгеновскими данными, демонстрируя возможность использования относительно дешевых ИК-камер для прогнозирования особенностей, которые в настоящее время можно зафиксировать только с помощью дорогостоящего синхротронного рентгеновского изображения. Такая корреляция может быть использована для будущего термического контроля ванны расплава и проверки модели.

Лазерная сварка в порошковом слое (L-PBF) — популярный метод аддитивного производства металлов (АМ) (также известный как 3D-печать металлом)1,2,3,4. Он использует лазерный луч для формирования детали путем многократного плавления тонких порошков на поверхности подложки. Благодаря послойному и специфичному для каждого места способу осаждения L-PBF может создавать сложную геометрию, которую не могут обеспечить традиционные методы производства. Кроме того, в L-PBF управление свойствами материала с учетом специфики объекта может быть достигнуто путем назначения параметров печати для конкретного объекта5. Учитывая вышеперечисленные преимущества, L-PBF уже используется во многих отраслях, таких как медицина, аэрокосмическая и оборонная промышленность6,7.

Однако L-PBF по-прежнему страдает от больших остаточных напряжений, деформации, расслоения и пористости8,9,10. Непонимание процесса плавления и затвердевания в неравновесных условиях является основным барьером на пути достижения качественного осаждения11,12. Зона расплава и эволюция «замочной скважины» должны быть хорошо изучены, чтобы обеспечить локальный контроль микроструктуры и минимизировать образование дефектов13. Более конкретно, необходимы измерения температурного градиента и скорости на границе твердое тело-жидкость.

Ванна расплава представляет собой жидкофазный материал, ограниченный подвижной границей твердое тело–жидкость. Свойства материала 3D-печатной детали определяются микроструктурой, возникающей в результате температурного градиента и граничной скорости жидкости и твердого тела в процессе затвердевания14. Замочная скважина — это зона депрессии пара в центре ванны расплава, вызванная перегревом, испарением и возникающим в результате давлением отдачи пара. Тяжесть замочной скважины критически связана с уровнем пористости захваченного газа в процессе плавления и затвердевания15,16. Обратите внимание, что отсутствие плавления и горячее растрескивание могут привести к дополнительной пористости, но эти проблемы имеют гораздо больший масштаб, что обычно считается неприемлемым; поэтому они не рассматриваются в этой статье.

В данной работе основное внимание уделяется одноточечному плавлению и затвердеванию. Хотя этот метод имеет ограничения в применимости к традиционному линейному сканированию, он обеспечивает состояние ванны расплава, аналогичное случайному точечному плавлению. Стратегия точечного плавления выбрана в этой статье, потому что это новый метод, который становится все более популярным в АП металлов, о чем свидетельствует недавняя (широко цитируемая) литература17,18,19,20,21. Кроме того, всестороннее понимание процесса плавления в одной точке необходимо для создания платформы для проверки результатов моделирования, которую затем можно распространить на более сложные проблемы. Экспериментальная работа Дехоффа и др.17 продемонстрировала, что использование стратегии точечного плавления может эффективно манипулировать морфологией микроструктуры от столбчатой ​​до равноосной.