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Se propone un nuevo mecanismo basado en la fusión selectiva por láser para controlar la microestructura de los productos en el proceso de fabricación. El mecanismo se basa en la generación de ondas ultrasónicas de alta intensidad en el baño fundido mediante irradiación láser de intensidad modulada compleja. Los estudios experimentales y las simulaciones numéricas muestran que este mecanismo de control es técnicamente factible y puede integrarse eficazmente en el diseño de máquinas modernas de fusión selectiva por láser.
La fabricación aditiva (FA) de piezas de formas complejas ha crecido significativamente en las últimas décadas. Sin embargo, a pesar de la variedad de procesos de fabricación aditiva, incluida la fusión selectiva por láser (SLM)1,2,3, la deposición directa de metal por láser4,5,6, la fusión por haz de electrones7,8 y otros9,10, las piezas pueden ser defectuosas. Esto se debe principalmente a las características específicas del proceso de solidificación del baño fundido asociado con altos gradientes térmicos, altas velocidades de enfriamiento y la complejidad de los ciclos de calentamiento en la fusión y refundición de materiales1 1, que conducen a un crecimiento de grano epitaxial y una porosidad significativa12,13.Los resultados muestran que es necesario controlar los gradientes térmicos, las velocidades de enfriamiento y la composición de la aleación, o aplicar choques físicos adicionales a través de campos externos de varias propiedades (por ejemplo, ultrasonido) para lograr estructuras de grano equiaxial fino.
Numerosas publicaciones se ocupan del efecto del tratamiento de vibración en el proceso de solidificación en los procesos de fundición convencionales14,15. Sin embargo, la aplicación de un campo externo a masas fundidas no produce la microestructura deseada del material. Si el volumen de la fase líquida es pequeño, la situación cambia drásticamente. En este caso, el campo externo afecta significativamente el proceso de solidificación. 7, agitación por arco28 y oscilación29, arcos de plasma pulsado30,31 y otros métodos32. Adjuntar al sustrato usando una fuente externa de ultrasonido de alta intensidad (a 20 kHz). El refinamiento del grano inducido por ultrasonido se atribuye a la mayor zona de subenfriamiento de la composición debido al gradiente de temperatura reducido y la mejora del ultrasonido para generar nuevos cristalitos a través de la cavitación.
En este trabajo, investigamos la posibilidad de alterar la estructura de grano de los aceros inoxidables austeníticos sonicando el baño fundido con ondas sonoras generadas por el propio láser de fusión. La modulación de la intensidad de la radiación láser que incide sobre el medio absorbente de luz da como resultado la generación de ondas ultrasónicas que alteran la microestructura del material. Esta modulación de la intensidad de la radiación láser se puede integrar fácilmente en las impresoras 3D SLM existentes. Entonces, técnicamente, se realiza un tratamiento de superficie con láser. Sin embargo, si dicho tratamiento con láser se realiza en la superficie de cada capa, durante la acumulación capa por capa, se logran efectos en todo el volumen o en partes seleccionadas del volumen. En otras palabras, si la pieza se construye capa por capa, el tratamiento de superficie con láser de cada capa es equivalente al "tratamiento de volumen con láser".
Mientras que en la terapia ultrasónica basada en bocina ultrasónica, la energía ultrasónica de la onda de sonido estacionaria se distribuye por todo el componente, mientras que la intensidad ultrasónica inducida por láser se concentra en gran medida cerca del punto donde se absorbe la radiación láser. El uso de un sonotrodo en una máquina de fusión de lecho de polvo SLM es complicado porque la superficie superior del lecho de polvo expuesta a la radiación láser debe permanecer estacionaria. Además, no hay tensión mecánica en la superficie superior de la pieza. superficie superior de la pieza. La presión del sonido dentro de todo el baño fundido no puede exceder el 0,1 % de la presión máxima generada por el cabezal de soldadura, porque la longitud de onda de las ondas ultrasónicas con una frecuencia de 20 kHz en acero inoxidable es \(\sim 0,3~\text {m}\), y la profundidad suele ser inferior a \(\sim 0,3~\text {mm}\). Por lo tanto, el efecto del ultrasonido en la cavitación puede ser pequeño.
Cabe señalar que el uso de radiación láser de intensidad modulada en la deposición directa de metal por láser es un área activa de investigación35,36,37,38.
El efecto térmico de la radiación láser que incide sobre el medio es la base de casi todas las técnicas láser 39, 40 para el procesamiento de materiales, como el corte41, la soldadura, el endurecimiento, el taladrado42, la limpieza de superficies, la aleación de superficies, el pulido de superficies43, etc.
Cabe señalar que cualquier acción no estacionaria sobre el medio, incluida la acción láser sobre el medio absorbente, da como resultado la excitación de ondas acústicas en él con mayor o menor eficacia. Inicialmente, el enfoque principal fue la excitación láser de ondas en líquidos y los diversos mecanismos de excitación térmica del sonido (expansión térmica, evaporación, cambio de volumen durante la transición de fase, contracción, etc.) 47, 48, 49. Numerosas monografías50, 51, 52 proporcionan análisis teóricos de esto proceso y sus posibles aplicaciones prácticas.
Estos temas se discutieron posteriormente en varias conferencias, y la excitación láser de ultrasonido tiene aplicaciones tanto en aplicaciones industriales de tecnología láser53 como en medicina54. Por lo tanto, se puede considerar que se ha establecido el concepto básico del proceso por el cual la luz láser pulsada actúa sobre un medio absorbente. La inspección ultrasónica láser se utiliza para la detección de defectos de muestras fabricadas con SLM55,56.
El efecto de las ondas de choque generadas por láser en los materiales es la base del granallado por láser57,58,59, que también se utiliza para el tratamiento superficial de piezas fabricadas de forma aditiva60. Sin embargo, el refuerzo por choque láser es más efectivo en pulsos láser de nanosegundos y superficies cargadas mecánicamente (p. ej., con una capa de líquido)59 porque la carga mecánica aumenta la presión máxima.
Se realizaron experimentos para investigar los posibles efectos de varios campos físicos en la microestructura de los materiales solidificados. El diagrama funcional de la configuración experimental se muestra en la Figura 1. Se utilizó un láser de estado sólido Nd:YAG pulsado que operaba en modo de marcha libre (duración de pulso \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\ )). Cada pulso de láser pasa a través de una serie de filtros de densidad neutra y un sistema de placa divisora ​​de haz. la energía del pulso en el objetivo varía de \(E_L \sim 20~\text {mJ}\) a \(E_L \sim 100~\text {mJ}\). El rayo láser reflejado desde el divisor de haz se alimenta a un fotodiodo para la adquisición simultánea de datos, y se usan dos calorímetros (fotodiodos con un tiempo de respuesta largo que excede \(1~\text {ms}\)) para determinar el incidente hacia y reflejado desde el objetivo, y dos medidores de potencia (fotodiodos con tiempos de respuesta cortos \(<10~\text {ns}\)) para determinar la potencia óptica incidente y reflejada. Calorímetros y medidores de potencia fueron calibrados para dar valores en unidades absolutas usando un detector de termopila Gentec-EO XLP12-3S-H2-D0 y un espejo dieléctrico montado en la ubicación de la muestra. Enfoque el haz sobre el objetivo usando una lente (recubrimiento antirreflejo a \(1.06 \upmu \text {m}\), distancia focal \(160~\text {mm} \)) y una cintura de haz en la superficie objetivo 60– \(100~\upmu\text {m}\).
Diagrama esquemático funcional del montaje experimental: 1—láser;2—rayo láser;3—filtro de densidad neutra;4—fotodiodo sincronizado;5—divisor de haz;6—diafragma;7—calorímetro de haz incidente;8 – calorímetro de haz reflejado;9 – medidor de potencia del haz incidente;10 – medidor de potencia de haz reflejado;11 – lente de enfoque;12 – espejo;13 – muestra;14 – transductor piezoeléctrico de banda ancha;15 – convertidor 2D;16 – microcontrolador de posicionamiento;17 – unidad de sincronización;18 – sistema de adquisición digital multicanal con varias frecuencias de muestreo;19 – ordenador personal.
El tratamiento ultrasónico se lleva a cabo de la siguiente manera. El láser funciona en modo de marcha libre;por lo tanto, la duración del pulso láser es \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\), que consiste en múltiples duraciones de aproximadamente \(1.5~\upmu \text {s } \) cada una. La forma temporal del pulso láser y su espectro consisten en una envolvente de baja frecuencia y una modulación de alta frecuencia, con una frecuencia promedio de alrededor de \(0.7~\text {MHz}\), como se muestra en la Figura 2.- La envolvente de frecuencia proporciona el calentamiento y la posterior fusión y evaporación del material, mientras que el componente de alta frecuencia proporciona las vibraciones ultrasónicas debido al efecto fotoacústico. La forma de onda del pulso ultrasónico generado por el láser está determinada principalmente por la forma temporal de la intensidad del pulso láser.Va desde \(7~\text {kHz}\) a \ (2~\text {MHz}\), y la frecuencia central es \(~ 0,7~\text {MHz}\). Los pulsos acústicos debidos al efecto fotoacústico se registraron usando transductores piezoeléctricos de banda ancha hechos de películas de fluoruro de polivinilideno. La forma de onda registrada y su espectro se muestran en la Figura 2. Cabe señalar que la forma de los pulsos láser es típica de un láser de funcionamiento libre.
Distribución temporal de la intensidad del pulso láser (a) y la velocidad del sonido en la superficie posterior de la muestra (b), espectros de pulso láser (c) y pulso ultrasónico (d) promediados sobre 300 pulsos láser (curva roja) para un solo pulso láser (curva azul).
Podemos distinguir claramente los componentes de baja y alta frecuencia del tratamiento acústico correspondientes a la envolvente de baja frecuencia del pulso láser y la modulación de alta frecuencia, respectivamente. Las longitudes de onda de las ondas acústicas generadas por la envolvente del pulso láser superan \(40~\text {cm}\);por lo tanto, se espera el efecto principal de los componentes de alta frecuencia de banda ancha de la señal acústica en la microestructura.
Los procesos físicos en SLM son complejos y ocurren simultáneamente en diferentes escalas espaciales y temporales. Por lo tanto, los métodos multiescala son los más adecuados para el análisis teórico de SLM. Los modelos matemáticos deben ser inicialmente multifísicos. La mecánica y la termofísica de un medio multifásico "fundido sólido-líquido" que interactúa con una atmósfera de gas inerte se pueden describir de manera efectiva. Las características de las cargas térmicas del material en SLM son las siguientes.
Velocidades de calentamiento y enfriamiento de hasta \(10^6~\text {K}/\text {s}\) /\text{ debido a la irradiación láser localizada con densidades de potencia de hasta \(10^{13}~\text {W} cm}^2\).
El ciclo de fusión-solidificación dura entre 1 y \(10~\text {ms}\), lo que contribuye a la rápida solidificación de la zona de fusión durante el enfriamiento.
El rápido calentamiento de la superficie de la muestra da como resultado la formación de altas tensiones termoelásticas en la capa superficial. Una porción suficiente (hasta el 20 %) de la capa de polvo se evapora fuertemente63, lo que da como resultado una carga de presión adicional en la superficie en respuesta a la ablación con láser. En consecuencia, la tensión inducida distorsiona significativamente la geometría de la pieza, especialmente cerca de los soportes y los elementos estructurales delgados. datos cuantitativos sobre la distribución local de tensiones y deformaciones, se realiza una simulación mesoscópica del problema de la deformación elástica conjugado con la transferencia de calor y masa.
Las ecuaciones que gobiernan el modelo incluyen (1) ecuaciones de transferencia de calor inestable donde la conductividad térmica depende del estado de fase (polvo, fundido, policristalino) y la temperatura, (2) fluctuaciones en la deformación elástica después de la ablación continua y la ecuación de expansión termoelástica. El problema del valor límite está determinado por condiciones experimentales. El flujo láser modulado se define en la superficie de la muestra. .La relación tensión-deformación elastoplástica se usa donde la tensión termoelástica es proporcional a la diferencia de temperatura. Para potencia nominal \(300~\text {W}\), frecuencia \(10^5~\text {Hz}\), coeficiente intermitente 100 y \(200~\upmu \text {m}\ ) del diámetro efectivo del haz.
La Figura 3 muestra los resultados de la simulación numérica de la zona fundida usando un modelo matemático macroscópico. El diámetro de la zona de fusión es \(200~\upmu \text {m}\) (\(100~\upmu \text {m}\) radio) y \(40~\upmu \text {m}\) de profundidad. Los resultados de la simulación muestran que la temperatura de la superficie varía localmente con el tiempo como \(100~\text {K}\) debido al alto factor intermitente de la modulación del pulso. Las velocidades de calentamiento \(V_h\) y enfriamiento \(V_c\) son del orden de \(10^7\) y \(10^6~\text {K}/\text {s}\), respectivamente. Estos valores están en buen acuerdo con nuestro análisis anterior64. Una diferencia de orden de magnitud entre \(V_h\) y \(V_c\) da como resultado un sobrecalentamiento rápido de la capa superficial, donde la conducción térmica al sustrato es insuficiente para eliminar el calor. Por lo tanto, en \(t =26~\upmu \text {s}\) la temperatura de la superficie alcanza un máximo de \(4800~\text {K}\). La evaporación vigorosa del material puede hacer que la superficie de la muestra se someta a una presión excesiva y se desprenda.
Resultados de simulación numérica de la zona de fusión del recocido de un solo pulso láser en una placa de muestra de 316L. El tiempo desde el comienzo del pulso hasta la profundidad del baño fundido que alcanza el valor máximo es \(180~\upmu\text {s}\). La isoterma\(T = T_L = 1723~\text {K}\) representa el límite entre las fases líquida y sólida. Por lo tanto, en el dominio entre las dos isolíneas (isotermas\(T=T_L\) e isobaras\(\sigma =\sigma _V(T)\)), la fase sólida está sujeta a fuertes cargas mecánicas, lo que puede conducir a cambios en la microestructura.
Este efecto se explica con más detalle en la Figura 4a, donde el nivel de presión en la zona fundida se representa en función del tiempo y la distancia desde la superficie. En primer lugar, el comportamiento de la presión está relacionado con la modulación de la intensidad del pulso láser descrita en la Figura 2 anterior. Se observó una presión máxima \text{s}\) de aproximadamente \(10~\text {MPa}\) a aproximadamente \(t=26~\upmu). En segundo lugar, la fluctuación de la presión local en el punto de control tiene las mismas características de oscilación que la frecuencia de \(500~\text {kHz}\). Esto significa que las ondas de presión ultrasónicas se generan en la superficie y luego se propagan en el sustrato.
Las características calculadas de la zona de deformación cerca de la zona de fusión se muestran en la Fig. 4b. La ablación por láser y la tensión termoelástica generan ondas de deformación elásticas que se propagan en el sustrato. Como se puede ver en la figura, hay dos etapas de generación de tensión. y no se observó estrés termoelástico en los puntos de control porque la zona afectada por el calor inicial era demasiado pequeña. Cuando el calor se disipa en el sustrato, el punto de control genera un estrés termoelástico alto por encima de \(40~\text {MPa}\).
Los niveles de tensión modulados obtenidos tienen un impacto significativo en la interfase sólido-líquido y pueden ser el mecanismo de control que rige la ruta de solidificación. El tamaño de la zona de deformación es de 2 a 3 veces mayor que el de la zona de fusión. Como se muestra en la Figura 3, se comparan la ubicación de la isoterma de fusión y el nivel de tensión igual al límite elástico. m}\) dependiendo del tiempo instantáneo.
Por lo tanto, la compleja modulación del recocido por láser pulsado conduce al efecto ultrasónico. La ruta de selección de la microestructura es diferente si se compara con el SLM sin carga ultrasónica. Las regiones inestables deformadas conducen a ciclos periódicos de compresión y estiramiento en la fase sólida. Por lo tanto, la formación de nuevos límites de grano y subgrano se vuelve factible. , puede excluirse el inductor piezoeléctrico 26 utilizado en otros lugares.
(a) Presión en función del tiempo, calculada a diferentes distancias de la superficie 0, 20 y \(40~\upmu \text {m}\) a lo largo del eje de simetría. (b) Tensión de Von Mises dependiente del tiempo calculada en una matriz sólida a distancias 70, 120 y \(170~\upmu \text {m}\) de la superficie de la muestra.
Los experimentos se realizaron en placas de acero inoxidable AISI 321H con dimensiones \(20\times 20\times 5~\text {mm}\). Después de cada pulso láser, la placa se mueve \(50~\upmu \text {m}\), y la cintura del rayo láser en la superficie objetivo es de aproximadamente \(100~\upmu \text {m}\). La zona fundida se sonicó, dependiendo del componente oscilatorio de la radiación láser. Esto da como resultado una reducción de más de 5 veces en el área de grano promedio. La figura 5 muestra cómo cambia la microestructura de la región fundida con láser con el número de ciclos de refundición posteriores (pasadas).
Subparcelas (a,d,g,j) y (b,e,h,k) – microestructura de las regiones fundidas con láser, subparcelas (c,f,i,l) – área de distribución de granos coloreados.El sombreado representa las partículas utilizadas para calcular el histograma. Los colores corresponden a las regiones de grano (consulte la barra de color en la parte superior del histograma). Las subparcelas (ac) corresponden al acero inoxidable sin tratar, y las subparcelas (df), (gi), (jl) corresponden a 1, 3 y 5 refundidos.
Dado que la energía del pulso del láser no cambia entre las pasadas posteriores, la profundidad de la zona fundida es la misma. Por lo tanto, el canal posterior "cubre" por completo al anterior. Sin embargo, el histograma muestra que el área media y mediana del grano disminuye con el aumento del número de pasadas. Esto puede indicar que el láser está actuando sobre el sustrato en lugar de sobre la masa fundida.
El refinamiento del grano puede deberse al enfriamiento rápido del baño fundido65. Se llevó a cabo otra serie de experimentos en los que las superficies de placas de acero inoxidable (321H y 316L) se expusieron a radiación láser de onda continua en la atmósfera (Fig. 6) y vacío (Fig. 7). Se observó la estructura r.
Microestructura de la región fundida con láser de un láser de onda continua (300 W de potencia constante, velocidad de escaneo de 200 mm/s, acero inoxidable AISI 321H).
(a) Microestructura y (b) imágenes de difracción de retrodispersión de electrones de la región fundida con láser en el vacío con un láser de onda continua (potencia constante de 100 W, velocidad de escaneo de 200 mm/s, acero inoxidable AISI 316L)\ (\sim 2~\text {mbar}\).
Por lo tanto, se muestra claramente que la modulación compleja de la intensidad del pulso láser tiene un efecto significativo en la microestructura resultante. Creemos que este efecto es de naturaleza mecánica y ocurre debido a la generación de vibraciones ultrasónicas que se propagan desde la superficie irradiada de la masa fundida hacia el interior de la muestra. Se obtuvieron resultados similares en 13, 26, 34, 66, 67 usando transductores piezoeléctricos externos y sonotrodos que proporcionan ultrasonido de alta intensidad en varios materiales, incluida la aleación Ti-6Al-4V 26 y el acero inoxidable 34 es el resultado de. El posible mecanismo se especula de la siguiente manera. El ultrasonido intenso puede causar cavitación acústica, como se demuestra en imágenes ultrarrápidas de rayos X de sincrotrón in situ. estructura de grano de la fabricación aditiva capa por capa.
Aquí, proponemos otro mecanismo responsable de la modificación estructural por sonicación intensa. Inmediatamente después de la solidificación, el material está a una temperatura alta cercana al punto de fusión y tiene un límite elástico extremadamente bajo. Las ondas ultrasónicas intensas pueden causar que el flujo plástico altere la estructura del grano del material caliente recién solidificado. (MD) de una composición de Fe-Cr-Ni similar al acero AISI 316 L para evaluar el comportamiento del límite elástico cerca del punto de fusión. Para calcular el límite elástico, usamos la técnica de relajación del esfuerzo cortante MD detallada en 70, 71, 72, 73. publicado en otra parte. Los resultados del cálculo MD del límite elástico en función de la temperatura se muestran en la Fig. 8 junto con los datos experimentales disponibles y otras evaluaciones77,78,79,80,81,82.
Esfuerzo de fluencia para acero inoxidable austenítico AISI grado 316 y composición del modelo frente a la temperatura para simulaciones MD. Mediciones experimentales de referencias: (a) 77, (b) 78, (c) 79, (d) 80, (e) 81. Consulte. anotado como \(\vartriangleleft\) para un monocristal infinito libre de defectos y \(\vartriangleright\) para granos finitos teniendo en cuenta el tamaño de grano promedio a través de la relación Hall-Petch Dimensiones\(d = 50~\upmu \text {m}\).
Se puede ver que a \(T>1500~\text {K}\) el límite elástico cae por debajo de \(40~\text {MPa}\). Por otro lado, las estimaciones predicen que la amplitud ultrasónica generada por láser excede \(40~\text {MPa}\) (ver Fig. 4b), lo cual es suficiente para inducir el flujo plástico en el material caliente recién solidificado.
La formación de la microestructura del acero inoxidable austenítico 12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) durante SLM se investigó experimentalmente utilizando una fuente de láser pulsado de intensidad modulada compleja.
Se encontró una reducción del tamaño de grano en la zona de fusión por láser debido a la refundición por láser continua después de 1, 3 o 5 pasadas.
El modelado macroscópico muestra que el tamaño estimado de la región donde la deformación ultrasónica puede afectar positivamente el frente de solidificación es de hasta \(1~\text {mm}\).
El modelo MD microscópico muestra que el límite elástico del acero inoxidable austenítico AISI 316 se reduce significativamente a \(40~\text {MPa}\) cerca del punto de fusión.
Los resultados obtenidos sugieren un método para controlar la microestructura de los materiales utilizando un procesamiento láser modulado complejo y podría servir como base para crear nuevas modificaciones de la técnica SLM pulsada.
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