Souvislosti výzkumu S rychlým rozvojem technologie aditivní výroby (AM), zejména s rozšířenou aplikací technologie laserového práškového fúze (LPBF), se slitina Inconel 718 stala důležitým materiálem v letectví, energetice a dalších špičkových výrobních oborech, a to díky svému vynikajícímu výkonu při vysokých teplotách, vysokém tlaku a korozivním prostředí. Během procesu fúze laserového prášku však tepelné chování slitiny, stabilita lázně taveniny a růst zrn významně ovlivňují konečné vlastnosti materiálu. K takovému zpracování se běžně používají tradiční gaussovské lasery, ale vzhledem k jejich nerovnoměrnému rozložení energie jsou náchylné způsobit nestabilitu lázně taveniny a nepravidelný růst zrn. Lasery s plochou-vrchní vrstvou mohou se svými charakteristikami rovnoměrného rozložení energie poskytovat lepší kontrolu nad stabilitou taveniny a směrovým růstem zrn. Očekává se, že výzkum aplikace plochých- laserů při fúzi laserového prášku bude optimalizovat výkon slitiny Inconel 718 a poskytne teoretický základ a technickou podporu pro vysoce-kvalitní výrobu.
Výzkumné metody Tato studie využívala kombinaci simulace a experimentování ke zkoumání účinků plochých-laserů na chování tavné lázně a růst zrn během tavení slitiny Inconel 718 v loži laserového prášku. Byly provedeny simulace skenování s jednou stopou, aby se studoval vliv parametrů, jako je výkon laseru a rychlost skenování, na rozložení teploty lázně taveniny, morfologii lázně taveniny a teplotní gradienty. Na základě výsledků simulace byla provedena další experimentální validace s použitím vysokovýkonných{5}}plochých{6}} laserů pro fúzi Inconel 718 v práškovém loži, přičemž se sledovala a analyzovala morfologie taveniny, velikost zrna a vlastnosti materiálu. Během experimentů byly použity techniky jako mikrostrukturní pozorování, rentgenová difrakce a testování mechanických vlastností ke komplexnímu hodnocení růstu zrn, tvrdosti materiálu a vlastností v tahu. Význam studie Tato studie má významnou teoretickou a technickou hodnotu. Zavedení laserů s plochým vrcholem může účinně zlepšit problémy, jako je nestabilita lázně taveniny a nepravidelný růst zrn, ke kterým dochází u konvenčních gaussovských laserů během zpracování slitin, a poskytuje nový technologický přístup pro aditivní výrobu Inconelu 718. Výsledky nabízejí důležité reference pro další optimalizaci procesů fúze laserového prášku, zejména při zpracování vysokoteplotních{14}aplikačních slitinových materiálů s vyhlídkami pro technické aplikace. Kromě toho tato studie poskytuje návod pro návrh aditivního výrobního procesu dalších-výkonných materiálů a propaguje aplikaci aditivní výrobní technologie v letectví a dalších oblastech. Inovace Srovnání mezi plochými-a tradičními Gaussovými lasery: Porovnáním použití plochých-laserů s tradičními Gaussovými špičkovými lasery} lasery v oblasti stability a růstu zrn 2 v laserovém tavném lůžku{0} tavení a tavení laserového prášku2 kontrola byla odhalena. Kombinace jednostopé simulace a experimentování: Integrace simulace a experimentálního ověření poskytuje systematický analytický rámec pro pochopení role laserů s plochou{23}}vrchní vrstvou v tavenině. Optimalizace procesu pro slitinu Inconel 718: Poskytuje optimalizační strategie pro proces aditivní výroby Inconel 718, zejména pokud jde o potenciální zlepšení materiálového výkonu, podporující vysoce-kvalitní výrobu vysokoteplotních slitin-. Průzkum aplikací plochých-laserů v práškovém loži: Tato studie poprvé systematicky zkoumala použití plochých{31}laserů při fúzi laserového prášku a poskytla nové směry pro budoucí výzkum souvisejících technologií.
Výsledky a diskuse 1. Účinky výkonu laseru a rychlosti skenování na chování roztavené lázně V simulacích i experimentech byly zkoumány účinky různých výkonů laseru a rychlostí skenování na rozložení teploty, morfologii a teplotní gradient roztavené lázně. Výsledky naznačují, že při vysokém výkonu laseru je rozložení teploty v roztavené lázni rovnoměrnější. Lasery s plochou-vrchní vrstvou mohou účinně snížit kolísání teploty v roztavené lázni. Ve srovnání s konvenčními gaussovskými lasery poskytují lasery s plochým vrcholem- stabilnější rozložení tepelného pole. Změny v rychlosti skenování významně ovlivňují morfologii a rychlost chlazení roztavené lázně. Při středních rychlostech skenování je povrch roztavené lázně hladký a proces chlazení je relativně rovnoměrný, což pomáhá vytvářet stabilnější strukturu zrna. 2. Zlepšení stability roztavené lázně plochými-lasery s plochým povrchem Experimentální výsledky ukazují, že při použití laserů s plochým{10}}topem vykazuje roztavená lázeň stabilnější chování během laserového skenování, protože se vyhne nestabilitě tepelného gradientu. Ve srovnání s gaussovskými lasery rovnoměrné rozložení výkonu laserů s plochou-vrchní vrstvou účinně snižuje výkyvy v morfologii roztavené lázně a podporuje dobrou fúzi, čímž se snižuje nepravidelný růst na okrajích roztavené lázně. Tato stabilita je významná pro následný růst zrn a jednotnost mikrostruktury, účinně zlepšuje mechanické vlastnosti a spolehlivost materiálu. 3. Směrovost růstu zrn Při zpracování slitiny Inconel 718 pomocí laserů s plochým vrcholem- experimenty pozorovaly lepší směrovost růstu zrn. Pod rovnoměrným tepelným polem plochého- laseru mají dlouhé osy zrn tendenci růst ve směru laserového skenování a vytvářet směrovou strukturu zrn. Tento směrový růst výrazně zlepšuje mechanické vlastnosti materiálu, zejména pevnost v tahu a odolnost proti únavě. Naproti tomu použití Gaussových laserů vykazuje silnou náhodnost v růstu zrn kvůli nestabilitě roztavené lázně, což má za následek nerovnoměrné rozložení zrn, což dále ovlivňuje komplexní mechanické vlastnosti materiálu. 4. Optimalizace vlastností materiálu Analýza mikrostruktury a mechanické testování zjistilo, že slitina Inconel 718 zpracovaná plochými-lasery s tvrdou špičkou vykazuje vynikající vlastnosti zpracovaného vzorku s tvrdostí a únavovými testy. lasery s plochým{24}}topem mají vyšší tvrdost, což naznačuje lepší hustotu materiálu a strukturální integritu. Výsledky tahových zkoušek ukazují, že slitiny s plochým -laserem{27}}mají vyšší mez kluzu a pevnosti v tahu a režim lomu vykazuje rovnoměrnější rozložení napětí, což zabraňuje šíření trhlin. Při únavových testech mají vzorky ošetřené plochým-laserem{30}}vyšší únavovou životnost, což ukazuje na lepší odolnost proti únavě, díky čemuž jsou vhodné pro vysoce-výkonné aplikace. 5. Vliv tepelného chování a procesu chlazení Vzorky zpracované plochými-lasery, které se vyznačují relativně rovnoměrným tepelným gradientem a stabilním zbytkovým ochlazením, mohou nastat u konvenčního laseru Gaus a stabilního chlazení. Experimentální výsledky ukazují, že rovnoměrnější proces ochlazování podporuje rovnoměrné rozložení vnitřních pnutí v materiálu a zabraňuje deformaci a praskání způsobenému nadměrným tepelným namáháním.
6. Kombinace simulačních a experimentálních výsledků Vysoká konzistence mezi simulačními a experimentálními výsledky ukazuje, že plochý-laser má významné výhody při zlepšování stability lázně taveniny, orientace růstu zrn a materiálových vlastností. Výsledky simulace poskytují teoretický základ a ověřují efektivní řízení tepelného chování lázně taveniny a růstu zrn plochým-laserem. Experimentální data dále potvrzují tuto teorii a ověřují zlepšení vlastností materiálu pomocí plochého- laseru prostřednictvím testů tvrdosti, pevnosti v tahu a únavy. Diskuze a závěr Ve srovnání s Gaussovým laserem poskytuje laser s plochou{7}}vrchní vrstvou značné výhody ve stabilitě lázně taveniny a orientaci růstu zrn. Jeho rovnoměrné rozložení výkonu účinně zvyšuje stabilitu lázně taveniny, snižuje nepravidelné změny tvaru lázně taveniny a podporuje směrový růst zrn v materiálu. Optimalizace vlastností materiálu: Laser s plochou{10}}vrchní vrstvou nejen zlepšuje chování taveniny, ale také výrazně zlepšuje mechanické vlastnosti slitiny Inconel 718, přičemž vykazuje pozoruhodné výhody v tvrdosti, pevnosti v tahu a odolnosti proti únavě. Tato studie ukazuje, že použití plochých{13} laserů při fúzi laserového prášku nejen zlepšuje stabilitu lázně taveniny, ale také poskytuje novou technickou cestu pro výrobu-výkonných materiálů se širokými vyhlídkami na uplatnění, zejména v letectví, energetice a dalších oblastech. Tento výzkum nabízí nové nápady pro aditivní výrobu-vysoce výkonných slitinových materiálů. V budoucnu mohou být parametry procesu dále optimalizovány a bude možné prozkoumat více laserových zdrojů pro použití ve vysokoteplotních slitinových materiálech, což podpoří široké uplatnění technologie aditivní výroby v průmyslové výrobě.
