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É proposto um novo mecanismo baseado na fusão a laser seletiva para controlar a microestrutura dos produtos no processo de fabricação. O mecanismo se baseia na geração de ondas ultrassônicas de alta intensidade na poça de fusão por irradiação a laser de modulação de intensidade complexa. Estudos experimentais e simulações numéricas mostram que esse mecanismo de controle é tecnicamente viável e pode ser efetivamente integrado ao projeto de modernas máquinas de fusão a laser seletivas.
A fabricação aditiva (AM) de peças de formato complexo cresceu significativamente nas últimas décadas. No entanto, apesar da variedade de processos de fabricação aditiva, incluindo fusão seletiva a laser (SLM)1,2,3, deposição direta de metal a laser4,5,6, fusão por feixe de elétrons7,8 e outros9,10, as peças podem apresentar defeitos. que levam ao crescimento de grão epitaxial e porosidade significativa12,13.Os resultados mostram que é necessário controlar gradientes térmicos, taxas de resfriamento e composição da liga, ou aplicar choques físicos adicionais através de campos externos de várias propriedades (por exemplo, ultrassom) para obter estruturas de grãos equiaxiais finos.
Numerosas publicações estão preocupadas com o efeito do tratamento de vibração no processo de solidificação em processos de fundição convencionais14,15. No entanto, a aplicação de um campo externo para fundidos a granel não produz a microestrutura desejada do material. Se o volume da fase líquida for pequeno, a situação muda drasticamente. Nesse caso, o campo externo afeta significativamente o processo de solidificação. ,27, agitação de arco28 e oscilação29, arcos de plasma pulsado30,31 e outros métodos32. Anexe ao substrato usando uma fonte externa de ultrassom de alta intensidade (a 20 kHz). O refinamento de grão induzido por ultrassom é atribuído ao aumento da zona de subresfriamento composicional devido ao gradiente de temperatura reduzido e aprimoramento de ultrassom para gerar novos cristalitos por meio de cavitação.
Neste trabalho, investigamos a possibilidade de alterar a estrutura granular de aços inoxidáveis ​​austeníticos sonicando a poça fundida com ondas sonoras geradas pelo próprio laser de fusão. A modulação da intensidade da radiação laser incidente no meio absorvedor de luz resulta na geração de ondas ultrassônicas, que alteram a microestrutura do material. , tecnicamente, o tratamento de superfície a laser é feito. No entanto, se tal tratamento a laser for realizado na superfície de cada camada, durante o acúmulo de camada por camada, serão alcançados efeitos em todo o volume ou em partes selecionadas do volume. Em outras palavras, se a peça for construída camada por camada, o tratamento de superfície a laser de cada camada é equivalente a "tratamento de volume a laser".
Considerando que na terapia ultrassônica baseada em chifre ultrassônico, a energia ultrassônica da onda sonora estacionária é distribuída por todo o componente, enquanto a intensidade ultrassônica induzida pelo laser é altamente concentrada perto do ponto onde a radiação laser é absorvida. Usar um sonotrodo em uma máquina de fusão de leito de pó SLM é complicado porque a superfície superior do leito de pó exposta à radiação laser deve permanecer estacionária. Além disso, não há estresse mecânico na superfície superior da peça. Portanto, o estresse acústico é próximo de zero e a velocidade da partícula tem uma amplitude máxima sobre toda a superfície superior da peça. A pressão sonora dentro de toda a poça fundida não pode exceder 0,1% da pressão máxima gerada pelo cabeçote de soldagem, porque o comprimento de onda das ondas ultrassônicas com frequência de 20 kHz em aço inoxidável é \(\sim 0,3~\text {m}\) e a profundidade geralmente é menor que \(\sim 0,3~\text {mm}\). Portanto, o efeito do ultrassom na cavitação pode ser pequeno.
Deve-se notar que o uso de radiação laser de intensidade modulada na deposição direta de metal a laser é uma área ativa de pesquisa35,36,37,38.
O efeito térmico da radiação laser incidente no meio é a base para quase todas as técnicas de laser 39, 40 para processamento de materiais, como corte41, soldagem, endurecimento, perfuração42, limpeza de superfície, liga de superfície, polimento de superfície43, etc.
Deve-se notar que qualquer ação não estacionária no meio, incluindo a ação do laser no meio absorvente, resulta na excitação de ondas acústicas nele com maior ou menor eficiência. este processo e suas possíveis aplicações práticas.
Essas questões foram posteriormente discutidas em várias conferências, e a excitação a laser de ultrassom tem aplicações em aplicações industriais de tecnologia laser53 e medicina54. Portanto, pode-se considerar que o conceito básico do processo pelo qual a luz laser pulsada atua em um meio absorvente foi estabelecido. A inspeção ultrassônica a laser é usada para detecção de defeitos de amostras fabricadas por SLM55,56.
O efeito das ondas de choque geradas a laser em materiais é a base do laser de choque peening57,58,59, que também é usado para o tratamento de superfície de peças fabricadas com aditivo60. No entanto, o reforço de choque de laser é mais eficaz em pulsos de laser de nanossegundos e superfícies carregadas mecanicamente (por exemplo, com uma camada de líquido)59 porque o carregamento mecânico aumenta a pressão de pico.
Experimentos foram conduzidos para investigar os possíveis efeitos de vários campos físicos na microestrutura de materiais solidificados. O diagrama funcional da configuração experimental é mostrado na Figura 1. Um laser de estado sólido Nd:YAG pulsado operando no modo de corrida livre (duração do pulso \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\ )) foi usado. Cada pulso de laser é passado por uma série de filtros de densidade neutra e um sistema de placa divisora ​​de feixe. a energia no alvo varia de \(E_L \sim 20~\text {mJ}\) a \(E_L \sim 100~\text {mJ}\). O feixe de laser refletido do divisor de feixe é alimentado a um fotodiodo para aquisição simultânea de dados e dois calorímetros (fotodiodos com um longo tempo de resposta superior a \(1~\text {ms}\)) são usados ​​para determinar o incidente e refletido do alvo e dois medidores de potência (fotodiodos com tempos de resposta curtos \(<10~\text {ns}\)) para determinar a potência óptica incidente e refletida. Calorímetros e medidores de potência foram calibrados para fornecer valores em unidades absolutas usando um detector de termopilha Gentec-EO XLP12-3S-H2-D0 e um espelho dielétrico montado no local da amostra.Foque o feixe no alvo usando uma lente (revestimento antirreflexo em \(1.06 \upmu \text {m}\), distância focal \(160~\text {mm}\) ) e uma cintura de feixe na superfície alvo 60– \(100~\upmu\text {m}\).
Diagrama esquemático funcional da montagem experimental: 1—laser;2-raio laser;3—filtro de densidade neutra;4—fotodiodo sincronizado;5—divisor de feixe;6-diafragma;7—calorímetro do feixe incidente;8 – calorímetro do feixe refletido;9 – medidor de potência do feixe incidente;10 – medidor de potência do feixe refletido;11 – lente de focagem;12 – espelho;13 – amostra;14 – transdutor piezoelétrico de banda larga;15 – conversor 2D;16 – microcontrolador de posicionamento;17 – unidade de sincronização;18 – sistema de aquisição digital multicanal com diversas taxas de amostragem;19 – computador pessoal.
O tratamento ultrassônico é realizado da seguinte forma. O laser opera no modo de operação livre;portanto, a duração do pulso de laser é \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\), que consiste em várias durações de aproximadamente \(1,5~\upmu \text {s } \) cada. e subseqüente fusão e evaporação do material, enquanto o componente de alta frequência fornece as vibrações ultrassônicas devido ao efeito fotoacústico. A forma de onda do pulso ultrassônico gerado pelo laser é determinada principalmente pela forma temporal da intensidade do pulso do laser.É de \(7~\text {kHz}\) a \ (2~\text {MHz}\), e a frequência central é \(~ 0,7~\text {MHz}\). Os pulsos acústicos devido ao efeito fotoacústico foram registrados usando transdutores piezoelétricos de banda larga feitos de filmes de fluoreto de polivinilideno.
Distribuição temporal da intensidade do pulso de laser (a) e velocidade do som na superfície posterior da amostra (b), espectros de pulso de laser (c) e pulso ultrassônico (d) com média de 300 pulsos de laser (curva vermelha) para um único pulso de laser (curva azul).
Podemos distinguir claramente os componentes de baixa frequência e alta frequência do tratamento acústico correspondentes ao envelope de baixa frequência do pulso de laser e à modulação de alta frequência, respectivamente. Os comprimentos de onda das ondas acústicas geradas pelo envelope de pulso de laser excedem \(40~\text {cm}\);portanto, é esperado o efeito principal dos componentes de alta frequência de banda larga do sinal acústico na microestrutura.
Os processos físicos em SLM são complexos e ocorrem simultaneamente em diferentes escalas espaciais e temporais. Portanto, os métodos multiescala são mais adequados para a análise teórica de SLM. Os modelos matemáticos devem ser inicialmente multifísicos. A mecânica e a termofísica de um meio multifásico "derretimento sólido-líquido" interagindo com uma atmosfera de gás inerte podem ser descritas de forma eficaz. As características das cargas térmicas do material em SLM são as seguintes.
Taxas de aquecimento e resfriamento de até \(10^6~\text {K}/\text {s}\) /\text{ devido à irradiação laser localizada com densidades de potência de até \(10^{13}~\text {W} cm}^2\).
O ciclo fusão-solidificação dura entre 1 e \(10~\text {ms}\), o que contribui para a rápida solidificação da zona de fusão durante o resfriamento.
O rápido aquecimento da superfície da amostra resulta na formação de altas tensões termoelásticas na camada superficial. Uma porção suficiente (até 20%) da camada de pó é fortemente evaporada63, ​​o que resulta em uma carga de pressão adicional na superfície em resposta à ablação a laser. Consequentemente, a deformação induzida distorce significativamente a geometria da peça, especialmente perto de suportes e elementos estruturais finos. dados quantitativos precisos sobre a distribuição local de tensões e deformações, é realizada uma simulação mesoscópica do problema da deformação elástica conjugada à transferência de calor e massa.
As equações governantes do modelo incluem (1) equações de transferência de calor instável onde a condutividade térmica depende do estado de fase (pó, fusão, policristalino) e temperatura, (2) flutuações na deformação elástica após ablação contínua e equação de expansão termoelástica. O problema do valor limite é determinado por condições experimentais. pressão do material em evaporação.A relação tensão-deformação elastoplástica é usada onde a tensão termoelástica é proporcional à diferença de temperatura.Para potência nominal \(300~\text {W}\), frequência \(10^5~\text {Hz}\), coeficiente intermitente 100 e \(200~\upmu \text {m}\ ) do diâmetro efetivo do feixe.
A Figura 3 mostra os resultados da simulação numérica da zona fundida usando um modelo matemático macroscópico. O diâmetro da zona de fusão é \(200~\upmu \text {m}\) (\(100~\upmu \text { m}\) raio) e profundidade \(40~\upmu \text {m}\). As taxas \(V_h\) e \(V_c\) de resfriamento são da ordem de \(10^7\) e \(10^6~\text {K}/\text {s}\), respectivamente. 6~\upmu \text {s}\) a temperatura da superfície atinge picos tão altos quanto \(4800~\text {K}\).A evaporação vigorosa do material pode fazer com que a superfície da amostra seja submetida a pressão excessiva e descasque.
Resultados de simulação numérica da zona de fusão do recozimento de pulso de laser único na placa de amostra 316L. O tempo desde o início do pulso até a profundidade da poça de fusão atingindo o valor máximo é \(180~\upmu\text {s}\).A isoterma\(T = T_L = 1723~\text {K}\) representa o limite entre as fases líquida e sólida. seção. Portanto, no domínio entre as duas isolinhas (isotérmicas\(T=T_L\) e isóbaras\(\sigma =\sigma _V(T)\)), a fase sólida está sujeita a fortes cargas mecânicas, que podem levar a alterações na microestrutura.
Este efeito é melhor explicado na Figura 4a, onde o nível de pressão na zona fundida é plotado em função do tempo e da distância da superfície. Primeiro, o comportamento da pressão está relacionado à modulação da intensidade do pulso do laser descrito na Figura 2 acima. Uma pressão máxima \text{s}\) de cerca de \(10~\text {MPa}\) foi observada em cerca de \(t=26~\upmu). \(500~\text {kHz}\). Isso significa que as ondas de pressão ultrassônica são geradas na superfície e depois se propagam no substrato.
As características calculadas da zona de deformação perto da zona de fusão são mostradas na Fig. 4b. A ablação a laser e o estresse termoelástico geram ondas de deformação elástica que se propagam no substrato. ablação, e nenhum estresse termoelástico foi observado nos pontos de controle porque a zona afetada pelo calor inicial era muito pequena. Quando o calor é dissipado no substrato, o ponto de controle gera alta tensão termoelástica acima de \(40~\text {MPa}\).
Os níveis de tensão modulados obtidos têm um impacto significativo na interface sólido-líquido e podem ser o mecanismo de controle que governa o caminho da solidificação. O tamanho da zona de deformação é 2 a 3 vezes maior que o da zona de fusão. }\) dependendo do tempo instantâneo.
Portanto, a modulação complexa do recozimento do laser pulsado leva ao efeito ultrassônico.O caminho de seleção da microestrutura é diferente se comparado ao SLM sem carregamento ultrassônico.Regiões instáveis ​​deformadas levam a ciclos periódicos de compressão e alongamento na fase sólida.Assim, a formação de novos limites de grão e limites de subgrão torna-se viável.Portanto, as propriedades microestruturais podem ser alteradas intencionalmente, conforme mostrado abaixo.As conclusões obtidas fornecem a possibilidade de projetar um protótipo de SLM induzido por modulação de pulso induzido por ultrassom. indutor zoelétrico 26 usado em outro lugar pode ser excluído.
(a) Pressão em função do tempo, calculada a diferentes distâncias da superfície 0, 20 e \(40~\upmu \text {m}\) ao longo do eixo de simetria. (b) Tensão de Von Mises dependente do tempo calculada em uma matriz sólida a distâncias 70, 120 e \(170~\upmu \text {m}\) da superfície da amostra.
Os experimentos foram realizados em placas de aço inoxidável AISI 321H com dimensões \(20\times 20\times 5~\text {mm}\). Após cada pulso de laser, a placa se move \(50~\upmu \text {m}\) e a cintura do feixe de laser na superfície alvo é de aproximadamente \(100~\upmu \text {m}\). a zona fundida foi sonicada, dependendo do componente oscilatório da radiação laser. Isso resulta em uma redução de mais de 5 vezes na área de grão média. A Figura 5 mostra como a microestrutura da região fundida a laser muda com o número de ciclos de refundição subsequentes (passes).
Subparcelas (a,d,g,j) e (b,e,h,k) – microestrutura de regiões fundidas a laser, subparcelas (c,f,i,l) – distribuição de área de grãos coloridos.O sombreamento representa as partículas usadas para calcular o histograma. As cores correspondem às regiões de grãos (consulte a barra de cores na parte superior do histograma. As subtramas (ac) correspondem ao aço inoxidável não tratado e as subtramas (df), (gi), (jl) correspondem a 1, 3 e 5 refundições.
Uma vez que a energia do pulso de laser não muda entre as passagens subsequentes, a profundidade da zona fundida é a mesma. Assim, o canal subsequente "cobre" completamente o anterior. No entanto, o histograma mostra que a área média e mediana do grão diminui com o aumento do número de passagens. Isso pode indicar que o laser está agindo no substrato, e não no fundido.
O refinamento de grão pode ser causado pelo resfriamento rápido da poça fundida65. Outro conjunto de experimentos foi realizado em que as superfícies de placas de aço inoxidável (321H e 316L) foram expostas à radiação laser de onda contínua na atmosfera (Fig. 6) e no vácuo (Fig. 7). observado.
Microestrutura da região fundida a laser de um laser de onda contínua (potência constante de 300 W, velocidade de varredura de 200 mm/s, aço inoxidável AISI 321H).
(a) Microestrutura e (b) imagens de difração de retroespalhamento de elétrons da região fundida a laser no vácuo com um laser de onda contínua (100 W de potência constante, velocidade de varredura de 200 mm/s, aço inoxidável AISI 316L)\ (\sim 2~\text {mbar}\).
Portanto, é claramente demonstrado que a modulação complexa da intensidade do pulso de laser tem um efeito significativo na microestrutura resultante.Acreditamos que esse efeito é de natureza mecânica e ocorre devido à geração de vibrações ultrassônicas que se propagam a partir da superfície irradiada do fundido profundamente na amostra.Resultados semelhantes foram obtidos em 13, 26, 34, 66, 67 usando transdutores piezoelétricos externos e sonotrodos fornecendo ultrassom de alta intensidade em vários materiais, incluindo liga Ti-6Al-4V 26 e o ​​resultado de aço inoxidável 34. O possível mecanismo é especulado da seguinte forma. O ultrassom intenso pode causar cavitação acústica, conforme demonstrado em imagens ultrarrápidas de raios-X síncrotron in situ. estrutura de grão ar da manufatura aditiva camada por camada.
Aqui, propomos outro mecanismo responsável pela modificação estrutural por sonicação intensa.Imediatamente após a solidificação, o material está em uma temperatura alta perto do ponto de fusão e tem uma tensão de escoamento extremamente baixa.Ondas ultrassônicas intensas podem fazer com que o fluxo plástico altere a estrutura de grão do material quente, apenas solidificado.No entanto, dados experimentais confiáveis ​​sobre a dependência da temperatura da tensão de escoamento estão disponíveis em \(T\lesssim 1150~\text {K}\) (consulte a Figura 8).Portanto, para testar esta hipótese, realizamos simulações de dinâmica molecular (MD) de uma composição Fe-Cr-Ni semelhante ao aço AISI 316 L para avaliar o comportamento da tensão de escoamento próximo ao ponto de fusão. Para calcular a tensão de escoamento, usamos a técnica de relaxamento de tensão de cisalhamento MD detalhada em 70, 71, 72, 73. as simulações MD serão publicadas em outro lugar. Os resultados do cálculo MD da tensão de escoamento em função da temperatura são mostrados na Fig. 8 juntamente com os dados experimentais disponíveis e outras avaliações77,78,79,80,81,82.
Tensão de escoamento para aço inoxidável austenítico AISI grau 316 e composição do modelo versus temperatura para simulações MD. Medições experimentais das referências: (a) 77, (b) 78, (c) 79, (d) 80, (e) 81. consulte. como \(\vartriangleleft\) para um monocristal infinito livre de defeitos e \(\vartriangleright\) para grãos finitos levando em consideração o tamanho médio do grão através da relação Hall-Petch Dimensions\(d = 50~\upmu \text {m}\).
Pode-se ver que em \(T>1500~\text {K}\) a tensão de escoamento cai abaixo de \(40~\text {MPa}\). Por outro lado, as estimativas preveem que a amplitude ultrassônica gerada pelo laser excede \(40~\text {MPa}\) (ver Fig. 4b), o que é suficiente para induzir o fluxo plástico no material quente que acabou de solidificar.
A formação da microestrutura do aço inoxidável austenítico 12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) durante o SLM foi investigada experimentalmente usando uma fonte de laser pulsado de intensidade modulada complexa.
A redução do tamanho de grão na zona de fusão do laser foi encontrada devido à refusão contínua do laser após 1, 3 ou 5 passes.
A modelagem macroscópica mostra que o tamanho estimado da região onde a deformação ultrassônica pode afetar positivamente a frente de solidificação é de até \(1~\text {mm}\).
O modelo MD microscópico mostra que o limite de escoamento do aço inoxidável austenítico AISI 316 é significativamente reduzido para \(40~\text {MPa}\) próximo ao ponto de fusão.
Os resultados obtidos sugerem um método para controlar a microestrutura de materiais usando processamento de laser modulado complexo e podem servir de base para a criação de novas modificações da técnica SLM pulsada.
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