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Un nouveau mécanisme basé sur la fusion laser sélective pour contrôler la microstructure des produits dans le processus de fabrication est proposé. Le mécanisme repose sur la génération d'ondes ultrasonores de haute intensité dans le bain de fusion par une irradiation laser complexe à modulation d'intensité. Des études expérimentales et des simulations numériques montrent que ce mécanisme de contrôle est techniquement réalisable et peut être efficacement intégré dans la conception de machines de fusion laser sélective modernes.
La fabrication additive (FA) de pièces de forme complexe s'est considérablement développée au cours des dernières décennies. Cependant, malgré la variété des procédés de fabrication additive, y compris la fusion sélective par laser (SLM)1,2,3, le dépôt direct de métal par laser4,5,6, la fusion par faisceau d'électrons7,8 et autres9,10, les pièces peuvent être défectueuses. croissance axiale des grains et porosité importante12,13.Les résultats montrent qu'il est nécessaire de contrôler les gradients thermiques, les vitesses de refroidissement et la composition de l'alliage, ou d'appliquer des chocs physiques supplémentaires à travers des champs externes de diverses propriétés (par exemple, des ultrasons) pour obtenir des structures de grains équiaxes fins.
De nombreuses publications s'intéressent à l'effet du traitement par vibration sur le processus de solidification dans les processus de coulée conventionnels14,15.Cependant, l'application d'un champ externe aux masses fondues ne produit pas la microstructure souhaitée du matériau.Si le volume de la phase liquide est petit, la situation change radicalement.Dans ce cas, le champ externe affecte de manière significative le processus de solidification. , agitation à l'arc28 et oscillation29, arcs à plasma pulsé30,31 et autres méthodes32. Attachez-vous au substrat à l'aide d'une source externe d'ultrasons à haute intensité (à 20 kHz). Le raffinement du grain induit par les ultrasons est attribué à l'augmentation de la zone de sous-refroidissement de la composition en raison du gradient de température réduit et de l'amélioration des ultrasons pour générer de nouvelles cristallites par cavitation.
Dans ce travail, nous avons étudié la possibilité de modifier la structure du grain des aciers inoxydables austénitiques en sonifiant le bain de fusion avec des ondes sonores générées par le laser de fusion lui-même. La modulation d'intensité du rayonnement laser incident sur le milieu absorbant la lumière entraîne la génération d'ondes ultrasonores, qui modifient la microstructure du matériau. un traitement de surface au laser est effectué. Cependant, si un tel traitement au laser est effectué sur la surface de chaque couche, lors de la construction couche par couche, des effets sur tout le volume ou sur des parties sélectionnées du volume sont obtenus. En d'autres termes, si la pièce est construite couche par couche, le traitement de surface au laser de chaque couche équivaut à un "traitement de volume au laser".
Alors que dans la thérapie ultrasonique à base de cornet, l'énergie ultrasonore de l'onde sonore stationnaire est répartie dans tout le composant, tandis que l'intensité ultrasonore induite par le laser est fortement concentrée près du point où le rayonnement laser est absorbé. L'utilisation d'une sonotrode dans une machine de fusion sur lit de poudre SLM est compliquée car la surface supérieure du lit de poudre exposée au rayonnement laser doit rester stationnaire. amplitude sur toute la surface supérieure de la pièce. La pression acoustique à l'intérieur de l'ensemble du bain de fusion ne peut pas dépasser 0,1 % de la pression maximale générée par la tête de soudage, car la longueur d'onde des ondes ultrasonores d'une fréquence de 20 kHz dans l'acier inoxydable est \(\sim 0,3~\text {m}\) et la profondeur est généralement inférieure à \(\sim 0,3~\text {mm}\). Par conséquent, l'effet des ultrasons sur la cavitation peut être faible.
Il convient de noter que l'utilisation du rayonnement laser modulé en intensité dans le dépôt direct de métal par laser est un domaine de recherche actif35,36,37,38.
L'effet thermique du rayonnement laser incident sur le support est à la base de presque toutes les techniques laser 39, 40 pour le traitement des matériaux, telles que la découpe 41, le soudage, le durcissement, le perçage 42, le nettoyage de surface, l'alliage de surface, le polissage de surface 43, etc. L'invention du laser a stimulé de nouveaux développements dans les techniques de traitement des matériaux et les résultats préliminaires ont été résumés dans de nombreuses revues et monographies 44, 45, 46.
A noter que toute action non stationnaire sur le milieu, y compris l'action laser sur le milieu absorbant, se traduit par l'excitation d'ondes acoustiques dans celui-ci avec plus ou moins d'efficacité. ce processus et ses applications pratiques possibles.
Ces questions ont ensuite été discutées lors de diverses conférences, et l'excitation laser des ultrasons a des applications à la fois dans les applications industrielles de la technologie laser53 et en médecine54. Par conséquent, on peut considérer que le concept de base du processus par lequel la lumière laser pulsée agit sur un milieu absorbant a été établi. L'inspection par ultrasons laser est utilisée pour la détection des défauts des échantillons fabriqués par SLM55,56.
L'effet des ondes de choc générées par laser sur les matériaux est à la base du martelage par choc laser57,58,59, qui est également utilisé pour le traitement de surface de pièces fabriquées de manière additive60. Cependant, le renforcement par choc laser est plus efficace sur les impulsions laser nanosecondes et les surfaces chargées mécaniquement (par exemple, avec une couche de liquide)59 car la charge mécanique augmente la pression de pointe.
Des expériences ont été menées pour étudier les effets possibles de divers champs physiques sur la microstructure des matériaux solidifiés. Le schéma fonctionnel de la configuration expérimentale est illustré à la figure 1. Un laser à solide Nd:YAG pulsé fonctionnant en mode de fonctionnement libre (durée d'impulsion \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\ )) a été utilisé.Chaque impulsion laser passe à travers une série de filtres de densité neutre et un système de plaques séparatrices de faisceau. l'énergie des impulsions sur la cible varie de \(E_L \sim 20~\text {mJ}\) à \(E_L \sim 100~\text {mJ}\). fois\(<10~\text {ns}\)) pour déterminer la puissance optique incidente et réfléchie. Les calorimètres et les wattmètres ont été calibrés pour donner des valeurs en unités absolues à l'aide d'un détecteur à thermopile Gentec-EO XLP12-3S-H2-D0 et d'un miroir diélectrique monté à l'emplacement de l'échantillon. )) et une taille de faisceau à la surface cible 60– \(100~\upmu\text {m}\).
Schéma fonctionnel schématique du dispositif expérimental : 1 - laser ;2 - faisceau laser ;3-filtre à densité neutre ;4 - photodiode synchronisée ;5—séparateur de faisceau ;6—diaphragme ;7 - calorimètre du faisceau incident ;8 – calorimètre du faisceau réfléchi ;9 – wattmètre à faisceau incident ;10 – wattmètre à faisceau réfléchi ;11 – objectif de focalisation ;12 – miroir ;13 – échantillon ;14 – transducteur piézoélectrique à large bande ;15 – Convertisseur 2D ;16 – microcontrôleur de positionnement ;17 – unité de synchronisation ;18 - système d'acquisition numérique multicanal avec différents taux d'échantillonnage ;19 – ordinateur personnel.
Le traitement par ultrasons est effectué comme suit. Le laser fonctionne en mode de fonctionnement libre ;par conséquent, la durée de l'impulsion laser est \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\), qui se compose de plusieurs durées d'environ \(1,5~\upmu \text {s } \) chacune. évaporation du matériau, tandis que la composante haute fréquence fournit les vibrations ultrasonores dues à l'effet photoacoustique. La forme d'onde de l'impulsion ultrasonore générée par le laser est principalement déterminée par la forme temporelle de l'intensité de l'impulsion laser.Il est de \(7~\text {kHz}\) à \ (2~\text {MHz}\), et la fréquence centrale est \(~ 0,7~\text {MHz}\).
Répartition temporelle de l'intensité de l'impulsion laser (a) et de la vitesse du son à la surface arrière de l'échantillon (b), spectres de l'impulsion laser (c) et de l'impulsion ultrasonore (d) en moyenne sur 300 impulsions laser (courbe rouge) pour une seule impulsion laser (courbe bleue).
On distingue clairement les composantes basse fréquence et haute fréquence du traitement acoustique correspondant respectivement à l'enveloppe basse fréquence de l'impulsion laser et à la modulation haute fréquence. Les longueurs d'onde des ondes acoustiques générées par l'enveloppe de l'impulsion laser dépassent \(40~\text {cm}\) ;par conséquent, l'effet principal des composantes haute fréquence à large bande du signal acoustique sur la microstructure est attendu.
Les processus physiques dans la SLM sont complexes et se produisent simultanément à différentes échelles spatiales et temporelles. Par conséquent, les méthodes multi-échelles sont les plus adaptées à l'analyse théorique de la SLM. Les modèles mathématiques doivent initialement être multi-physiques. La mécanique et la thermophysique d'un milieu multiphase "solide-liquide en fusion" interagissant avec une atmosphère de gaz inerte peuvent alors être décrites efficacement. Les caractéristiques des charges thermiques des matériaux dans la SLM sont les suivantes.
Vitesses de chauffage et de refroidissement jusqu'à \(10^6~\text {K}/\text {s}\) /\text{ en raison de l'irradiation laser localisée avec des densités de puissance jusqu'à \(10^{13}~\text {W} cm}^2\).
Le cycle fusion-solidification dure entre 1 et \(10~\text {ms}\), ce qui contribue à la solidification rapide de la zone de fusion lors du refroidissement.
Un chauffage rapide de la surface de l'échantillon entraîne la formation de contraintes thermoélastiques élevées dans la couche de surface. Une partie suffisante (jusqu'à 20 %) de la couche de poudre est fortement évaporée63, ce qui entraîne une charge de pression supplémentaire sur la surface en réponse à l'ablation au laser. Pour obtenir des données quantitatives précises sur la distribution locale des contraintes et des déformations, une simulation mésoscopique du problème de déformation élastique conjuguée au transfert de chaleur et de masse est effectuée.
Les équations déterminantes du modèle comprennent (1) des équations de transfert de chaleur instationnaires où la conductivité thermique dépend de l'état de phase (poudre, fusion, polycristallin) et de la température, (2) des fluctuations de la déformation élastique après ablation continue et de l'équation de dilatation thermoélastique. Le problème de la valeur limite est déterminé par les conditions expérimentales. La relation contrainte-déformation élastoplastique est utilisée lorsque la contrainte thermoélastique est proportionnelle à la différence de température. Pour une puissance nominale \(300~\text {W}\), une fréquence \(10^5~\text {Hz}\), un coefficient intermittent 100 et \(200~\upmu \text {m}\ ) du diamètre effectif du faisceau.
La figure 3 montre les résultats d'une simulation numérique de la zone fondue à l'aide d'un modèle mathématique macroscopique. Le diamètre de la zone de fusion est \(200~\upmu \text {m}\) (\(100~\upmu \text { m}\) rayon) et \(40~\upmu \text {m}\) profondeur. (V_h\) et les taux de refroidissement \(V_c\) sont respectivement de l'ordre de \(10^7\) et \(10^6~\text {K}/\text {s}\). 26~\upmu \text {s}\) la température de surface atteint des pics jusqu'à \(4800~\text {K}\). Une évaporation vigoureuse du matériau peut entraîner une pression excessive et un décollement de la surface de l'échantillon.
Résultats de la simulation numérique de la zone de fusion d'un recuit par impulsion laser unique sur une plaque d'échantillon 316L. .Ainsi, dans le domaine compris entre les deux isolignes (isothermes\(T=T_L\) et isobares\(\sigma =\sigma _V(T)\)), la phase solide est soumise à de fortes sollicitations mécaniques, qui peuvent entraîner des modifications de la microstructure.
Cet effet est expliqué plus en détail dans la figure 4a, où le niveau de pression dans la zone fondue est tracé en fonction du temps et de la distance de la surface. Premièrement, le comportement de la pression est lié à la modulation de l'intensité de l'impulsion laser décrite dans la figure 2 ci-dessus. Une pression maximale \text{s}\) d'environ \(10~\text {MPa}\) a été observée à environ \(t=26~\upmu). de \(500~\text {kHz}\). Cela signifie que des ondes de pression ultrasonores sont générées à la surface puis se propagent dans le substrat.
Les caractéristiques calculées de la zone de déformation près de la zone de fusion sont présentées sur la Fig. 4b. L'ablation laser et la contrainte thermoélastique génèrent des ondes de déformation élastique qui se propagent dans le substrat. Comme on peut le voir sur la figure, il y a deux étapes de génération de contrainte. et aucune contrainte thermoélastique n'a été observée aux points de contrôle car la zone initialement affectée par la chaleur était trop petite. Lorsque la chaleur est dissipée dans le substrat, le point de contrôle génère une contrainte thermoélastique élevée supérieure à \(40~\text {MPa}\).
Les niveaux de contrainte modulés obtenus ont un impact significatif sur l'interface solide-liquide et peuvent être le mécanisme de contrôle régissant le chemin de solidification. La taille de la zone de déformation est 2 à 3 fois plus grande que celle de la zone de fusion. sur le temps instantané.
Par conséquent, la modulation complexe du recuit laser pulsé conduit à l'effet ultrasonore. La voie de sélection de la microstructure est différente si on la compare au SLM sans chargement ultrasonique. Les régions instables déformées conduisent à des cycles périodiques de compression et d'étirement dans la phase solide. l'inducteur piézoélectrique 26 utilisé par ailleurs peut être exclu.
(a) Pression en fonction du temps, calculée à différentes distances de la surface 0, 20 et \(40~\upmu \text {m}\) le long de l'axe de symétrie.(b) Contrainte de Von Mises dépendante du temps calculée dans une matrice solide à des distances 70, 120 et \(170~\upmu \text {m}\) de la surface de l'échantillon.
Des expériences ont été réalisées sur des plaques en acier inoxydable AISI 321H de dimensions \(20\times 20\times 5~\text {mm}\). Après chaque impulsion laser, la plaque se déplace \(50~\upmu \text {m}\) et la taille du faisceau laser sur la surface cible est d'environ \(100~\upmu \text {m}\). la zone fondue a été soniquée, en fonction de la composante oscillatoire du rayonnement laser. Cela se traduit par une réduction de plus de 5 fois de la surface moyenne des grains. La figure 5 montre comment la microstructure de la région fondue au laser change avec le nombre de cycles de refusion ultérieurs (passes).
Sous-parcelles (a,d,g,j) et (b,e,h,k) – microstructure des régions fondues au laser, sous-parcelles (c,f,i,l) – distribution surfacique des grains colorés.L'ombrage représente les particules utilisées pour calculer l'histogramme. Les couleurs correspondent aux régions de grain (voir la barre de couleur en haut de l'histogramme. Les sous-parcelles (ac) correspondent à l'acier inoxydable non traité, et les sous-parcelles (df), (gi), (jl) correspondent à 1, 3 et 5 refusions.
Étant donné que l'énergie de l'impulsion laser ne change pas entre les passages suivants, la profondeur de la zone fondue est la même. Ainsi, le canal suivant "couvre" complètement le précédent. Cependant, l'histogramme montre que la surface moyenne et médiane des grains diminue avec l'augmentation du nombre de passages. Cela peut indiquer que le laser agit sur le substrat plutôt que sur la masse fondue.
L'affinement du grain peut être causé par un refroidissement rapide du bain de fusion65. Une autre série d'expériences a été réalisée dans laquelle les surfaces de plaques d'acier inoxydable (321H et 316L) ont été exposées à un rayonnement laser à onde continue dans l'atmosphère (Fig. 6) et le vide (Fig. 7). a été observé.
Microstructure de la région fondue au laser d'un laser à onde continue (puissance constante de 300 W, vitesse de balayage de 200 mm/s, acier inoxydable AISI 321H).
(a) Microstructure et (b) images de diffraction par rétrodiffusion d'électrons de la région fondue au laser dans le vide avec un laser à onde continue (puissance constante de 100 W, vitesse de balayage de 200 mm/s, acier inoxydable AISI 316L)\ (\sim 2~\text {mbar}\).
Par conséquent, il est clairement démontré que la modulation complexe de l'intensité de l'impulsion laser a un effet significatif sur la microstructure résultante. Nous pensons que cet effet est de nature mécanique et se produit en raison de la génération de vibrations ultrasonores se propageant à partir de la surface irradiée de la masse fondue profondément dans l'échantillon. Les ultrasons intenses peuvent provoquer une cavitation acoustique, comme le démontre l'imagerie par rayons X synchrotron in situ ultrarapide. structure granulaire colonnaire de la fabrication additive couche par couche.
Ici, nous proposons un autre mécanisme responsable de la modification structurelle par sonication intense. Immédiatement après la solidification, le matériau est à une température élevée proche du point de fusion et a une limite d'élasticité extrêmement faible. simulations dynamiques (MD) d'une composition Fe-Cr-Ni similaire à l'acier AISI 316 L afin d'évaluer le comportement de la limite d'élasticité près du point de fusion. seront publiés ailleurs. Les résultats du calcul MD de la limite d'élasticité en fonction de la température sont présentés à la Fig. 8 avec les données expérimentales disponibles et d'autres évaluations77,78,79,80,81,82.
Contrainte d'élasticité pour l'acier inoxydable austénitique AISI 316 et composition du modèle en fonction de la température pour les simulations MD.Mesures expérimentales à partir de références : (a) 77, (b) 78, (c) 79, (d) 80, (e) 81.se référer à.(f)82 est un modèle empirique de la dépendance de la contrainte d'élasticité-température pour la mesure de la contrainte en ligne pendant la fabrication additive assistée par laser.Les résultats des simulations MD à grande échelle de cette étude sont de noté \(\vartriangleleft\) pour un monocristal infini sans défaut et \(\vartriangleright\) pour les grains finis en tenant compte de la taille moyenne des grains via la relation de Hall-Petch Dimensions\(d = 50~\upmu \text {m}\).
On peut voir qu'à \(T>1500~\text {K}\) la limite d'élasticité chute en dessous de \(40~\text {MPa}\). D'autre part, les estimations prédisent que l'amplitude ultrasonore générée par le laser dépasse \(40~\text {MPa}\) (voir Fig. 4b), ce qui est suffisant pour induire un écoulement plastique dans le matériau chaud qui vient de se solidifier.
La formation de la microstructure de l'acier inoxydable austénitique 12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) au cours du SLM a été étudiée expérimentalement à l'aide d'une source laser pulsée complexe à modulation d'intensité.
Une réduction de la taille des grains dans la zone de fusion laser a été constatée en raison de la refusion continue au laser après 1, 3 ou 5 passages.
La modélisation macroscopique montre que la taille estimée de la région où la déformation ultrasonore peut affecter positivement le front de solidification est jusqu'à \(1~\text {mm}\).
Le modèle microscopique MD montre que la limite d'élasticité de l'acier inoxydable austénitique AISI 316 est significativement réduite à \(40~\text {MPa}\) près du point de fusion.
Les résultats obtenus suggèrent une méthode de contrôle de la microstructure des matériaux à l'aide d'un traitement laser modulé complexe et pourraient servir de base pour créer de nouvelles modifications de la technique SLM pulsée.
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