Pozadie výskumu S rýchlym vývojom technológie aditívnej výroby (AM), najmä rozšíreným používaním technológie laserovej práškovej fúzie (LPBF), sa zliatina Inconel 718 stala dôležitým materiálom v leteckom a kozmickom priemysle, energetike a iných špičkových{1}}výrobných oblastiach vďaka jej vynikajúcemu výkonu pri vysokých teplotách, vysokom tlaku a korozívnom prostredí. Počas procesu fúzie laserového práškového lôžka však tepelné správanie zliatiny, stabilita taveniny a rast zŕn výrazne ovplyvňujú konečné vlastnosti materiálu. Na takéto spracovanie sa bežne používajú tradičné gaussovské lasery, ale kvôli ich nerovnomernému rozloženiu energie sú náchylné na nestabilitu taveniny a nepravidelný rast zŕn. Lasery s plochým{5}}vrchom môžu so svojimi charakteristikami rovnomernej distribúcie energie poskytovať lepšiu kontrolu nad stabilitou taveniny a smerovým rastom zŕn. Očakáva sa, že výskum aplikácie plochých- laserov pri fúzii laserového prášku optimalizuje výkon zliatiny Inconel 718 a poskytne teoretický základ a technickú podporu pre vysoko-kvalitnú výrobu.
Metódy výskumu Táto štúdia využívala kombináciu simulácie a experimentovania na skúmanie účinkov plochých{0}}laserov na správanie sa roztaveného kúpeľa a rast zŕn počas tavenia zliatiny Inconel 718 v laserovom lôžku. Uskutočnili sa jednostopové skenovacie simulácie, aby sa študoval vplyv parametrov, ako je výkon lasera a rýchlosť skenovania, na distribúciu teploty roztaveného bazéna, morfológiu roztaveného bazéna a teplotné gradienty. Na základe výsledkov simulácie sa uskutočnila ďalšia experimentálna validácia s použitím vysokovýkonných laserov s plochým vrcholom{5}} na fúziu prášku Inconel 718 v práškovom lôžku, pričom sa sledovala a analyzovala morfológia taveniny, veľkosť zŕn a vlastnosti materiálu. Počas experimentov sa na komplexné vyhodnotenie rastu zŕn, tvrdosti materiálu a ťahových vlastností použili techniky ako mikroštrukturálne pozorovanie, röntgenová difrakcia a testovanie mechanických vlastností. Význam štúdie Táto štúdia má významnú teoretickú a inžiniersku hodnotu. Zavedenie laserov s plochou{12}}vrchnou stranou môže účinne zlepšiť problémy, ako je nestabilita tavného kúpeľa a nepravidelný rast zŕn, ktoré sa vyskytujú pri konvenčných gaussovských laseroch počas spracovania zliatiny, a poskytnúť tak nový technologický prístup pre aditívnu výrobu Inconel 718. Výsledky ponúkajú dôležité referencie pre ďalšiu optimalizáciu procesov fúzie laserového prášku, najmä pri spracovaní vysokoteplotných{14}aplikačných zliatinových materiálov so širokými možnosťami použitia. Okrem toho táto štúdia poskytuje návod na návrh aditívneho výrobného procesu iných-výkonných materiálov, čím podporuje aplikáciu technológie aditívnej výroby v leteckom a kozmickom priemysle a v iných oblastiach. Inovácie Porovnanie medzi plochými-a tradičnými Gaussovými lasermi: Porovnaním aplikácie plochých-laserov so špičkovými lasermi s tradičnými Gaussovými lasermi na vrchole zŕn pri raste laserových 2 laserov na plochom lôžku{18} rastú výhody fúzie{0} laserového prášku v bazéne s plochým lôžkom kontrola bola odhalená. Kombinácia simulácie a experimentovania s jednou stopou: Integrácia simulácie a experimentálneho overovania poskytuje systematický analytický rámec na pochopenie úlohy laserov s plochou{23}}hornou časťou v tavenine. Optimalizácia procesu pre zliatinu Inconel 718: Poskytuje optimalizačné stratégie pre proces aditívnej výroby Inconel 718, najmä pokiaľ ide o potenciálne zlepšenia výkonnosti materiálu, pričom podporuje vysoko-kvalitnú výrobu-zliatín pri vysokých teplotách. Skúmanie plochých-laserových aplikácií pri fúzii prášku: Táto štúdia po prvýkrát systematicky skúmala aplikáciu plochých{31}}laserov pri spájaní laserového prášku a poskytla nové smery pre budúci výskum súvisiacich technológií.
Výsledky a diskusia 1. Účinky výkonu lasera a rýchlosti skenovania na správanie sa roztaveného bazéna V simuláciách aj experimentoch sa skúmali účinky rôznych výkonov lasera a rýchlostí skenovania na distribúciu teploty, morfológiu a tepelný gradient roztaveného kúpeľa. Výsledky naznačujú, že pri vysokom výkone lasera je rozloženie teploty v roztavenom kúpeli rovnomernejšie. Lasery s plochou-vrchnou časťou dokážu účinne znížiť kolísanie teploty v roztavenom bazéne. V porovnaní s konvenčnými gaussovskými lasermi poskytujú lasery s plochým{5}}vrchom stabilnejšie rozloženie tepelného poľa. Zmeny v rýchlosti skenovania významne ovplyvňujú morfológiu a rýchlosť ochladzovania roztaveného kúpeľa. Pri miernych rýchlostiach skenovania je povrch roztaveného kúpeľa hladký a proces chladenia je relatívne rovnomerný, čo pomáha vytvárať stabilnejšiu štruktúru zŕn. 2. Zlepšenie stability roztaveného bazéna pomocou plochých-horných laserov Experimentálne výsledky ukazujú, že pri použití laserov s plochým{10}}topom vykazuje roztavený kúpeľ stabilnejšie správanie počas laserového skenovania, pretože sa vyhýba nestabilite tepelného gradientu. V porovnaní s gaussovskými lasermi rovnomerná distribúcia výkonu laserov s plochým{12}}topom účinne znižuje kolísanie morfológie roztaveného kúpeľa a podporuje dobrú fúziu, čím sa znižuje nepravidelný rast na okrajoch roztaveného kúpeľa. Táto stabilita je významná pre následný rast zŕn a jednotnosť mikroštruktúry, čím sa účinne zlepšujú mechanické vlastnosti a spoľahlivosť materiálu{14}} Smerovosť rastu zŕn Pri spracovaní zliatiny Inconel 718 pomocou laserov s plochým vrcholom{16} sa pri experimentoch pozorovala lepšia smerovosť rastu zŕn. Pod rovnomerným tepelným poľom lasera s plochým{18}}vrchom majú dlhé osi zŕn tendenciu rásť v smere laserového skenovania a vytvárajú tak smerovú štruktúru zŕn. Tento smerový rast výrazne zlepšuje mechanické vlastnosti materiálu, najmä pevnosť v ťahu a odolnosť proti únave. Na rozdiel od toho použitie Gaussových laserov ukazuje silnú náhodnosť v raste zŕn v dôsledku nestability roztaveného bazéna, čo vedie k nerovnomernému rozloženiu zŕn, čo ďalej ovplyvňuje komplexné mechanické vlastnosti materiálu. 4. Optimalizácia vlastností materiálu Analýza mikroštruktúry a mechanické testovanie zistilo, že zliatina Inconel 718 spracovaná plochými-lasermi s tvrdou špičkou vykazuje vynikajúce vlastnosti v oblasti pevnosti, tvrdosti a desiatich lasery s plochým{24}}topom majú vyššiu tvrdosť, čo naznačuje lepšiu hustotu materiálu a štrukturálnu integritu. Výsledky skúšok ťahom ukazujú, že zliatiny s plochým-laserom{27}}spracované s plochým povrchom majú vyššiu medzu klzu a pevnosti v ťahu a režim lomu demonštruje rovnomernejšie rozloženie napätia, čím sa zabraňuje šíreniu trhlín. Pri únavových testoch majú vzorky ošetrené plochým-laserom{30}}vyššiu únavovú životnosť, čo naznačuje lepšiu odolnosť proti únave, vďaka čomu sú vhodné pre vysoko-výkonné aplikácie. 5. Vplyv tepelného správania a procesu chladenia Počas chladenia vzorky spracované laserom s plochým-topom vykazujú relatívne rovnomerný tepelný gradient a konvenčné tepelné namáhanie a stabilnú rýchlosť chladenia lasera. Experimentálne výsledky ukazujú, že rovnomernejší proces chladenia podporuje rovnomerné rozloženie vnútorných napätí v materiáli, čím sa predchádza deformácii a praskaniu spôsobenému nadmerným tepelným namáhaním.
6. Kombinácia simulačných a experimentálnych výsledkov Vysoká konzistentnosť medzi simulačnými a experimentálnymi výsledkami naznačuje, že plochý-laser má významné výhody pri zlepšovaní stability taveniny, orientácie rastu zŕn a materiálových vlastností. Výsledky simulácie poskytujú teoretický základ a overujú efektívne riadenie tepelného správania bazéna taveniny a rastu zŕn pomocou plochého-lasera. Experimentálne údaje ďalej potvrdzujú túto teóriu a potvrdzujú zlepšenie vlastností materiálu laserom s plochým{5}}topom prostredníctvom testov tvrdosti, pevnosti v ťahu a únavy. Diskusia a záver V porovnaní s Gaussovým laserom poskytuje laser s plochou{7}}hornou časťou významné výhody v stabilite tavného bazéna a orientácii rastu zŕn. Jeho rovnomerné rozloženie výkonu účinne zvyšuje stabilitu bazénu taveniny, znižuje nepravidelné zmeny tvaru bazéna taveniny a podporuje smerový rast zŕn v materiáli. Optimalizácia vlastností materiálu: Plochý laser{10}}zlepšuje nielen správanie sa v kúpeli taveniny, ale tiež výrazne zlepšuje mechanické vlastnosti zliatiny Inconel 718, pričom vykazuje pozoruhodné výhody v tvrdosti, pevnosti v ťahu a odolnosti proti únave. Táto štúdia dokazuje, že použitie laserov s plochou{13}}hornou hlavou pri fúzii laserového prášku nielen zlepšuje stabilitu tavného kúpeľa, ale poskytuje aj novú technickú cestu na výrobu-výkonných materiálov so širokými vyhliadkami na uplatnenie, najmä v kozmickom priemysle, energetike a iných oblastiach. Tento výskum ponúka nové nápady na aditívnu výrobu-vysokovýkonných zliatinových materiálov. V budúcnosti možno procesné parametre ďalej optimalizovať a možno preskúmať viac laserových zdrojov na použitie vo vysokoteplotných zliatinových materiáloch, čím sa podporí široké uplatnenie technológie aditívnej výroby v priemyselnej výrobe.
