消除激光粉末床融合3D打印中的孔隙形成

发布者:匿名 2019-05-09 浏览量:2266


“激光粉末床熔合增材制造过程中的孔隙形成动力学”中,美国研究人员继续改进3D打印技术,探索如何在激光粉末床熔合过程中防止孔隙形成。随着LPBF在金属增材制造工艺中越来越受欢迎,用户在生产中寻求更好的质量和更少的麻烦,激励研究团队提高熔体轨道和整体生产的几何质量。

1:激光转折点条件和实验配置的描述a-c激光转折点定义为激光粉末床熔合(LPBF)期间的条件,其中激光到达轨道的末端,减速,移动规定的舱口间距,将扫描方向改变180°,然后沿平行于前一轨道并与前一轨道相邻的新轨道加速。黑色虚线表示激光轨迹。 d-f时间差(t-t0),在200W的激光功率和1000mm s-1的扫描速度下进行的Ti-6Al-4V中的转折点区域的透射X射线图像。d激光从左向右扫描,在基板表面上方飞溅和粉末运动,由于下面的蒸汽反冲,熔池表面有凹陷。钛 - 氩界面用白色虚线表示。e激光进入转折点区域并按规定的舱口间距移动。f在转折点形成新的相邻轨道并留下小孔,激光从右向左移动。g实验配置的简化原理图。由斯坦福同步辐射光源(SSRL)的实验站2-2提供白光束X射线源。X射线视场与Ti-6Al-4V衬底表面处的1070nm处理激光一致。使用基于闪烁体的高速光学系统捕获图像

与许多不同类型的3D打印一样,由于对件质量的担忧,尤其是机械性能的完整性,LPBF是一项尚未在工业界得到广泛探索的强大技术。热历史和材料凝固过程中的不可预测性已被怀疑和担心潜在缺陷以及由此产生的不稳定性所取代。

小孔是熔池中过剩能量造成的一个常见问题。气孔会降低机械性能,并对LPBF过程中生产件产生负面影响。温度问题是这项研究的主要焦点。

“为了提高LPBF构建件的可信度,需要更深入地了解这种极端热状态下的激光 - 金属相互作用及其与LPBF过程中缺陷产生的相关性”研究人员表示。

该团队采用X射线进一步检查打印过程,试图前排观察孔隙形成。钛合金测试显示在激光转折点形成孔隙,使团队开始制定解决方案以减少件缺陷,并提高LPBF技术的可靠性,X射线成像作为一种有效的探索新方法,探索LPBF期间出现的问题。

随着转折点成为主要焦点,研究人员注意到,无论稳态扫描速度如何,它都会随着激光功率的增加而增加。他们还发现,在拐点200微米范围内形成靠近转折点的空隙也是最深的。

“对每个处理条件下捕获的X射线图像时间序列的检查表明,与我们测量的采样率(50μs)相比,时间尺度上的孔隙形成非常迅速。

2:在激光转折点区域中Ti-6Al-4V的LPBF期间形成的孔的性质是激光功率和稳态扫描速度的函数。所有转折点状态扫描均在全激光功率下进行。相对于基板表面的孔深度作为距激光器转折点的距离的函数。b激光在三个不同扫描速度下完成转折点后孔开始时间τp的直方图,其中tturn =0μs。每个直方图包括在指定扫描速度下用(蓝线)和不用(红线)粉末以所有激光功率(50-300W)产生的孔。在这些实验中,在激光转向之前的转折点区域中没有形成

在进一步研究凹陷深度时,研究人员发现在转向后出现的蒸汽凹陷量最大的原因是热量积聚。这是近静止激光“长停留时间”的结果。

研究人员表示,当凹陷超过100微米的深度时,进入深锁孔状态,并且由于熔池和反射激光之间的多重相互作用,实现了激光功率吸收的显著增加。

当表面温度较低时,熔池张力增加导致凹陷完全坍塌,当材料快速凝固时,孔隙被捕获。当激光扫描最大化时,产生气孔,蒸汽凹陷转变为深锁孔状态。随着壁快速坍塌,形成了孔隙。研究人员提出了在转折点关闭激光的问题,但他们认为由于此前的研究结果是气孔形成,因此这种做法是不可行的。

研究人员的孔缓解策略被用于通过“消除未缓和情况下固有的凹陷深度的快速变化”来阻止在转折点处形成。这也通过消除听觉障碍来改善轨道的几何公差。

“在LPBF期间,概念上类似的策略应适用于任何突然的激光开/关点。这里介绍的成功缓解策略说明了原位X射线测量结合高保真度建模以推动工艺改进的潜力,并为提高LPBF构建件的质量铺平了道路”研究人员总结道。

这只是最近改进金属3D打印工艺的许多研究之一,从找到使用高熵合金制造增材制造的方法,甚至重复使用粉末。

3:Ti–6Al–4V的LPBF期间减小蒸汽压深度变化。a黑线(左轴)对应于在100 W峰值功率孔隙减小扫描策略期间随时间变化的蒸汽压深度。误差条代表蒸汽压差的底部和表面粗糙度引起的表面之间的距离的不确定性。还示出了作为扫描策略中使用的时间的函数的命令激光功率(红线)。裸板实验的情况测量凹陷深度值,因为裸板中的凹陷深度测量比粉末情况的不确定性小,但是在两种情况下都观察到相同的趋势。b标准化焓(ΔHhs)由品红色 - 绿色色标表示作为在1000 mm s−1稳态扫描速度下的全功率和缓和情况下的激光位置函数。

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