Background della ricerca Con il rapido sviluppo della tecnologia di produzione additiva (AM), in particolare l'applicazione diffusa della tecnologia di fusione laser a letto di polvere (LPBF), la lega Inconel 718 è diventata un materiale importante nel settore aerospaziale, energetico e in altri campi di produzione di fascia alta- grazie alle sue eccellenti prestazioni in ambienti ad alta temperatura, alta pressione e corrosivi. Tuttavia, durante il processo di fusione laser del letto di polvere, il comportamento termico della lega, la stabilità del bagno di fusione e la crescita dei grani influiscono in modo significativo sulle proprietà finali del materiale. I laser gaussiani tradizionali sono comunemente utilizzati per tale lavorazione, ma a causa della loro distribuzione non uniforme dell'energia, sono inclini a causare instabilità del pool di fusione e crescita irregolare dei grani. I laser a sommità piatta-, con le loro caratteristiche di distribuzione uniforme dell'energia, possono fornire un migliore controllo sulla stabilità del bagno di fusione e sulla crescita direzionale dei grani. Si prevede che la ricerca sull'applicazione dei laser a sommità piatta- nella fusione laser a letto di polvere ottimizzerà le prestazioni della lega Inconel 718 e fornirà basi teoriche e supporto tecnico per una produzione di alta-qualità.
Metodi di ricerca Questo studio ha utilizzato una combinazione di simulazione e sperimentazione per studiare gli effetti dei laser a sommità piatta- sul comportamento del bagno di fusione e sulla crescita dei grani durante la fusione laser del letto di polvere della lega Inconel 718. Sono state condotte simulazioni di scansione a traccia singola- per studiare l'influenza di parametri quali la potenza del laser e la velocità di scansione sulla distribuzione della temperatura del bagno di fusione, sulla morfologia del bagno di fusione e sui gradienti termici. Sulla base dei risultati della simulazione, è stata condotta un'ulteriore convalida sperimentale utilizzando laser flat-ad alta potenza per la fusione del letto di polvere di Inconel 718, osservando e analizzando la morfologia del bagno di fusione, la dimensione dei grani e le proprietà del materiale. Durante gli esperimenti, sono state impiegate tecniche come l'osservazione microstrutturale, la diffrazione dei raggi X- e i test delle proprietà meccaniche per valutare in modo completo la crescita dei grani, la durezza del materiale e le proprietà di trazione. Significato dello studio Questo studio ha un significativo valore teorico e ingegneristico. L'introduzione di laser a sommità piatta-può migliorare efficacemente problemi quali l'instabilità del bagno di fusione e la crescita irregolare dei grani che si verificano con i laser gaussiani convenzionali durante la lavorazione delle leghe, fornendo un nuovo approccio tecnologico per la produzione additiva di Inconel 718. I risultati offrono importanti riferimenti per un'ulteriore ottimizzazione dei processi di fusione laser a letto di polvere, in particolare nella lavorazione di materiali in lega ad alta-temperatura, con ampie prospettive di applicazione ingegneristica. Inoltre, questo studio fornisce indicazioni per la progettazione del processo di produzione additiva di altri materiali ad alte-prestazioni, promuovendo l'applicazione della tecnologia di produzione additiva nel settore aerospaziale e in altri campi. Innovazioni Confronto tra laser flat-top e gaussiani tradizionali: confrontando l'applicazione dei laser flat-top con i tradizionali laser gaussiani nella fusione laser a letto di polvere, sono stati rivelati i vantaggi dei laser flat-top nella stabilità del pool di fusione e nel controllo della crescita dei grani. Combinazione di simulazione e sperimentazione a traccia singola-: l'integrazione di simulazione e verifica sperimentale fornisce un quadro analitico sistematico per comprendere il ruolo dei laser a sommità piatta-nel pool di fusione. Ottimizzazione del processo per la lega Inconel 718: fornisce strategie di ottimizzazione per il processo di produzione additiva di Inconel 718, soprattutto in termini di potenziali miglioramenti nelle prestazioni dei materiali, promuovendo la produzione di alta-qualità di leghe ad alta-temperatura. Esplorazione delle applicazioni dei laser a sommità piatta-nella fusione a letto di polvere: questo studio ha esplorato sistematicamente per la prima volta l'applicazione dei laser a sommità piatta-nella fusione laser a letto di polvere, fornendo nuove direzioni per la ricerca futura nelle tecnologie correlate.
Risultati e discussione 1. Effetti della potenza del laser e della velocità di scansione sul comportamento della vasca fusa Sia nelle simulazioni che negli esperimenti, sono stati esplorati gli effetti delle diverse potenze laser e velocità di scansione sulla distribuzione della temperatura, sulla morfologia e sul gradiente termico della piscina fusa. I risultati indicano che ad alta potenza del laser, la distribuzione della temperatura del bagno fuso è più uniforme. I laser a sommità piatta- possono ridurre efficacemente le fluttuazioni di temperatura nella piscina fusa. Rispetto ai laser gaussiani convenzionali, i laser flat-top forniscono una distribuzione del campo termico più stabile. Le variazioni nella velocità di scansione influenzano in modo significativo la morfologia e la velocità di raffreddamento del bagno fuso. A velocità di scansione moderate, la superficie del bagno di fusione è liscia e il processo di raffreddamento è relativamente uniforme, il che contribuisce a formare una struttura a grana più stabile. 2. Miglioramento della stabilità del bagno di fusione mediante laser a parte superiore-piatta I risultati sperimentali mostrano che quando si utilizzano laser a parte superiore piatta-, la piscina fusa mostra un comportamento più stabile durante la scansione laser, evitando l'instabilità causata da gradienti termici eccessivi. Rispetto ai laser gaussiani, la distribuzione uniforme della potenza dei laser a sommità piatta-riduce efficacemente le fluttuazioni nella morfologia del bagno di fusione e promuove una buona fusione, riducendo la crescita irregolare ai bordi del bagno di fusione. Questa stabilità è significativa per la successiva crescita del grano e l'uniformità della microstruttura, migliorando efficacemente le proprietà meccaniche e l'affidabilità del materiale.. 3. Direzionalità della crescita del grano Durante la lavorazione della lega Inconel 718 con laser a sommità piatta-, gli esperimenti hanno osservato una migliore direzionalità nella crescita del grano. Sotto il campo termico uniforme di un laser a sommità piatta-, i lunghi assi dei grani tendono a crescere lungo la direzione di scansione del laser, formando una struttura direzionale dei grani. Questa crescita direzionale migliora significativamente le proprietà meccaniche del materiale, in particolare la resistenza alla trazione e alla fatica. Al contrario, l'utilizzo dei laser gaussiani mostra una forte casualità nella crescita dei grani dovuta all'instabilità del bagno di fusione, con conseguente distribuzione irregolare dei grani, che influisce ulteriormente sulle proprietà meccaniche complessive del materiale. 4. Ottimizzazione delle proprietà dei materiali Attraverso l'analisi della microstruttura e i test meccanici, è stato riscontrato che la lega Inconel 718 lavorata con laser a sommità piatta-mostra proprietà eccellenti in termini di durezza, resistenza alla trazione e prestazioni a fatica: i test di durezza mostrano che i campioni trattati con i laser a sommità piatta-hanno una durezza maggiore, il che indica una migliore densità del materiale e integrità strutturale. I risultati dei test di trazione mostrano che le leghe trattate con laser flat-top- hanno snervamento e resistenza alla trazione più elevati e la modalità di frattura dimostra una distribuzione dello stress più uniforme, prevenendo la propagazione delle cricche. Nei test di fatica, i campioni trattati con laser flat-top-hanno una durata a fatica più lunga, indicando una migliore resistenza alla fatica, rendendoli adatti per applicazioni ad alte-prestazioni. 5. Influenza del comportamento termico e del processo di raffreddamento Durante il raffreddamento, i campioni elaborati con laser flat-top mostrano un gradiente termico relativamente uniforme e una velocità di raffreddamento stabile, evitando lo stress termico e lo stress residuo che possono verificarsi con i laser gaussiani convenzionali. I risultati sperimentali mostrano che un processo di raffreddamento più uniforme favorisce la distribuzione uniforme delle tensioni interne nel materiale, prevenendo deformazioni e fessurazioni causate da eccessivo stress termico.
6. Combinazione di risultati di simulazione e sperimentali L'elevata coerenza tra risultati di simulazione e sperimentali indica che il laser a sommità piatta- presenta vantaggi significativi nel migliorare la stabilità del bagno di fusione, l'orientamento della crescita dei grani e le proprietà dei materiali. I risultati della simulazione forniscono una base teorica e verificano l'effettivo controllo del comportamento termico del bagno di fusione e della crescita dei grani da parte del laser a sommità piatta-. I dati sperimentali confermano ulteriormente questa teoria, convalidando il miglioramento delle proprietà dei materiali da parte del laser a sommità piatta-attraverso test di durezza, resistenza alla trazione e fatica. Discussione e conclusione Rispetto al laser gaussiano, il laser a sommità piatta- offre vantaggi significativi nella stabilità del bagno di fusione e nell'orientamento della crescita dei grani. La sua distribuzione uniforme della potenza migliora efficacemente la stabilità del bagno di fusione, riduce i cambiamenti irregolari della forma del bagno di fusione e promuove la crescita direzionale dei grani nel materiale. Ottimizzazione delle proprietà del materiale: il laser a sommità piatta-non solo migliora il comportamento del bagno di fusione, ma migliora anche significativamente le proprietà meccaniche della lega Inconel 718, mostrando notevoli vantaggi in termini di durezza, resistenza alla trazione e resistenza alla fatica. Questo studio dimostra che l'applicazione di laser a sommità piatta-nella fusione laser a letto di polvere non solo migliora la stabilità del bagno di fusione, ma fornisce anche un nuovo percorso tecnico per la produzione di materiali ad alte-prestazioni, con ampie prospettive di applicazione, in particolare nel settore aerospaziale, energetico e in altri campi. Questa ricerca offre nuove idee per la produzione additiva di materiali in lega ad alte-prestazioni. In futuro, i parametri di processo potranno essere ulteriormente ottimizzati e si potranno esplorare più sorgenti laser da utilizzare in materiali in lega ad alta-temperatura, promuovendo l'applicazione diffusa della tecnologia di produzione additiva nella produzione industriale.
