مطالعه شرایط فرآیند تولید افزودنی فولاد ضد زنگ لیزری فمتوثانیه

بررسی اجمالی کاغذ

1. مقدمه

در تولید افزودنی (AM)، لیزرهای پالس اولترا کوتاه (USP) پردازش طیف وسیعی از مواد را ممکن می‌سازد و پتانسیلی برای کاهش ابعاد و پیچیدگی اجزای ساخته شده ارائه می‌دهد. این مطالعه امکان استفاده از لیزرهای USP را به عنوان جایگزینی برای سیستم‌های همجوشی بستر پودر لیزری (LPBF) به ویژه برای ساخت قطعات حیاتی که نیاز به دقت بالاتری دارند، نشان می‌دهد. محققان با استفاده از ذرات پودر فولاد ضد زنگ- سفارشی و خود تولید شده به نتایج مطلوب دست یافتند و با بهینه سازی یک سری از پارامترهای پردازش، لایه های مربعی ثابت را با موفقیت ساختند.

این مطالعه تأیید می‌کند که پارامترهای فرآیند هنگام استفاده از لیزرهای USP نقش مهمی دارند - حتی انحرافات جزئی در این پارامترها می‌تواند منجر به ذوب ناقص شود. با کاهش سرعت اسکن برای ترویج انباشت گرما، ذوب در فرکانس های تکرار پالس پایین (500 کیلوهرتز) و متوسط ​​توان لیزر پایین (0.5-1 W) به دست آمد. این رویکرد پتانسیل را برای به حداقل رساندن بیشتر اندازه قطعه فراهم می کند، که برای پیشبرد AM با استفاده از منابع لیزر USP بسیار مهم است.

2. خلاصه مطالعه

با توسعه مداوم تولید افزودنی، لیزرهای فمتوثانیه پتانسیل امیدوارکننده ای را برای پردازش فولاد ضد زنگ 316L نشان می دهند. این مقاله یک مطالعه بر روی تأثیر پارامترهای فرآیند در پردازش لیزر فمتوثانیه فولاد ضد زنگ 316L را خلاصه و مرور می‌کند. هدف اصلی این تحقیق بررسی چگونگی تأثیر قدرت لیزر، اندازه ذرات پودر، سرعت اسکن و فاصله دریچه بر کیفیت پردازش و عملکرد مواد، به منظور بهینه‌سازی شرایط تولید است.

محققان ابتدا ویژگی ها و مناسب بودن فولاد ضد زنگ 316L را معرفی کردند، سپس اصل کار و مکانیسم های پردازش لیزر فمتوثانیه را شرح دادند. متعاقباً، آنها بر چگونگی تأثیر پارامترهای کلیدی - از جمله قدرت لیزر، اندازه ذرات، سرعت اسکن، و فاصله دریچه - بر کیفیت مواد تمرکز کردند.

از طریق مطالعات تجربی، تیم یک محدوده بهینه قدرت لیزر را برای جلوگیری از فرسایش بیش از حد و آسیب مواد شناسایی کردند. آنها همچنین دریافتند که ذرات پودر ریزتر منجر به کنترل بهتر حوضچه مذاب و دقت شکل گیری بالاتر می شود. علاوه بر این، تنظیمات در سرعت اسکن و فاصله دریچه برای کاهش عیوب سطح و تخلخل، بهبود کیفیت و کارایی نشان داده شد.

در نهایت، این مطالعه چشم انداز کاربرد لیزرهای فمتوثانیه را در تولید فولاد ضد زنگ 316L مورد بحث قرار داد و چالش های فعلی و جهت گیری های تحقیقاتی آینده را برجسته کرد.

3. تجزیه و تحلیل تجربی و ارقام

3.1 اصل لیزر USP

لیزرهای پالس اولترا کوتاه (USP) مدت زمان پالس بسیار کوتاهی را تولید می کنند، معمولاً در محدوده فمتوثانیه (10-15 ثانیه) تا پیکوثانیه (10-12 ثانیه). این لیزرها بر اثرات نوری غیرخطی و اپتیک فوق سریع متکی هستند.
جزء اصلی لیزر USP حفره تشدید است که حاوی یک محیط لیزری (به عنوان مثال، کریستال Nd:YAG یا Ti:Sapphire) و یک منبع افزایش (مانند دیودهای لیزر یا لامپ های فلاش) است. فرآیند تقویت از طریق انتشار تحریک شده اتفاق می افتد، جایی که فوتون ها به طور مکرر بین آینه های حفره منعکس می شوند و تقویت می شوند و در نهایت یک پرتو خروجی قدرتمند را تشکیل می دهند.

لیزرهای USP با اعمال تأثیرات نوری غیرخطی مانند مدولاسیون فاز خود-و شکست غیرخطی، به مدت زمان پالس بسیار کوتاه می‌رسند. عناصر نوری مانند کریستال‌ها یا فیبرهای دوبرابر فرکانس{2}}به گسترش و فشرده‌سازی طیف پالس کمک می‌کنند و به مدت زمان پالس در محدوده فمتوثانیه می‌رسند.

شکل 1 - تکامل دما در توان های مختلف لیزر

شکل 1 چگونگی تغییر دما با توان لیزر متفاوت را نشان می دهد.

قدرت بالا (منحنی قرمز):دما از آستانه ذوب و فرسایش فراتر می رود.

توان کم (منحنی سبز):دمای ناکافی برای ذوب

توان بهینه (منحنی آبی):امکان ذوب بدون فرسایش را فراهم می کند.

شکل 2 - تصاویر SEM از پودرهای درشت و ریز

Ceit پودرهای فلزی اتمیزه شده گاز{0} سفارشی شده برای AM ایجاد کرد. دو نوع پودر استفاده شد:

پودر درشت (20-45 میکرومتر)

پودر ریز (<20 µm)
پودرهای ریز به بهبود کنترل مذاب و یکنواختی لایه دست یافتند.

شکل 3 – فرآیند رسوب لایه اول

برای افزایش چسبندگی پودر، ابتدا زیرلایه تحت لیزر{0}}برای افزایش زبری سطح قرار گرفت. تجزیه و تحلیل پروفیلومتریک زبری سطح (Sa) 3.3 میکرومتر و عمق 51.499 میکرومتر را نشان داد. سپس لایه ها با استفاده از روش تیغه اعمال شدند و ضخامت یکنواختی بدست آمد:

پودر درشت: لایه های 100-200 میکرومتر

پودر ریز: لایه های 50 میکرومتری

شکل 4 - اثر قدرت بر پردازش پودر درشت

استفاده از لیزر USP در AM یک چالش است: ذوب پودر بدون ایجاد فرسایش. قدرت بیش از حد منجر به خروج ذرات یا آسیب به بستر می شود. کاهش توان لیزر زیر آستانه فرسایش منجر به ذوب موفقیت آمیز می شود.
در توان‌های کمتر از 0.5 وات، پودر ریز بی‌تأثیر باقی می‌ماند، در حالی که بالای این آستانه، ذرات ذوب می‌شوند و به کره‌های بزرگ‌تری تبدیل می‌شوند.

شکل 5 - تغییر قدرت در پودرهای ریز

افزایش قدرت از 0.59 وات به 0.765 وات ذوب را افزایش داد و سطوح صاف تر و یکنواخت تر را تولید کرد. زبری سطح (Sa) از 3.45 میکرومتر به 2.58 میکرومتر کاهش یافت.

شکل 6 - اثر سرعت اسکن

در 0.674 W و فاصله هچ 10 میکرومتر:

کاهش سرعت اسکن از 5 میلی‌متر بر ثانیه به 5/2 میلی‌متر بر ثانیه، انباشت گرما و ادغام ذرات را افزایش داد، خوشه‌ها را بزرگ کرد و Sa را از 43/5 میکرومتر به 75/6 میکرومتر رساند.
در 0.765 W، اسکن آهسته تر منجر به نتایج صاف تر شد (Sa ≈ 3.9-4.1 میکرومتر).

شکل 7 – اثر ترکیبی قدرت و سرعت

در سطوح توان بالاتر (0.85-0.935 W) و سرعت اسکن به 2.5 میلی متر بر ثانیه، Sa بیشتر به 3.5-3.8 میکرومتر کاهش یافت. زیر 1.5 میلی متر بر ثانیه، گرمای بیش از حد باعث پارگی و سوزش پودر شد.

شکل 8 - کاهش فاصله دریچه

کاهش فاصله دریچه از 7 میکرومتر به 5 میکرومتر کیفیت سطح را به طور قابل توجهی بهبود بخشید - Sa از 6.75 میکرومتر به 4.1 میکرومتر کاهش یافت. فواصل بسیار زیاد منجر به ذوب ناهموار و تشکیل نقص شد.

شکل 9 - نفوذ فاصله دریچه

در پنجره‌های با قدرت و سرعت بهینه، کاهش فاصله دریچه به طور مداوم یکنواختی سطح را بهبود می‌بخشد، و Sa به حداقل 2-3 میکرومتر می‌رسد. تنظیم سرعت برای متعادل کردن تجمع گرما ضروری بود.

شکل 10 - پارامترهای فرآیند بهینه

بهترین شرایط پردازش با استفاده از:

قدرت لیزر:0.775 W

سرعت اسکن:2.5 میلی متر بر ثانیه

فاصله دریچه:7.5 µm

4. نتیجه گیری

برای ارزیابی پتانسیل لیزرهای USP در تولید افزودنی، لیزرهای فمتوثانیه با استفاده از دو نوع پودر فولاد ضد زنگ در فرآیند LPBF ادغام شدند. مطالعه به این نتیجه می رسد کهقدرت لیزربحرانی ترین عامل است - قدرت بیش از حد باعث فرسایش می شود، در حالی که خیلی کم از ذوب شدن جلوگیری می کند.

هنگامی که یک پنجره برقی بهینه (0.775-0.935 وات) ایجاد شد،-تنظیم دقیق سرعت اسکن و فاصله دریچه، صافی سطح را بیشتر بهبود بخشید. بهترین نتایج در موارد زیر به دست آمد:

قدرت: 0.775–0.935 W

سرعت اسکن:2.5 میلی متر بر ثانیه

فاصله دریچه: 5–7.5 µm

تحت این پارامترهای بهینه شده، ذوب یکنواخت و حداقل زبری سطح به دست آمد که امکان سنجی لیزرهای USP را برای تولید مواد افزودنی با دقت بالا-در مقیاس میکرو- تایید می‌کند.