Официальный сайт 2020 года обновлен! Теперь у вас есть браузер с разрешением менее 1280px Пожалуйста, используйте ширину доступа с высоким разрешением.
Источник: Laser Alliance G60
Введение: В этой статье рассматривается влияние окисления порошка в процессе LAM на динамику бассейна и образование дефектов.
Понимание образования дефектов сырья, хранения и повторного использования порошка в процессе лазерного аддитивного производства (LAM) имеет решающее значение для производства высококачественных деталей аддитивного производства. В этой статье изучается влияние окисления порошка в процессе LAM на динамику бассейна и образование дефектов. Во время LAM оксид порошка попадает в расплавленный бассейн, в результате чего конвекция Марангони переходит от центробежного потока внутрь к центробежному потоку наружу. Предположим, что оксиды способствуют образованию поровых ядер, стабильности и росту. Мы наблюдали, что брызги в условиях суспензии происходят чаще, чем в стратифицированных условиях. Брызги капель могут быть индуцированы путем косвенного расширения газа, управляемого лазером, и образования металлического пара, индуцированного лазером, на поверхности расплава. В условиях многослойного строительства лазерное переплавка уменьшает распределение апертуры и плотность количества, способствуя высвобождению газа из клапанного отверстия или вызывая поток жидкости (частично или полностью заполняя предварительно существующие поры). Мы также наблюдали, что во время лазерного переплавки отверстия, расположенные на поверхности орбиты, могут разрываться, вызывая брызги капель и образование отверстий, или заживлять отверстия через поток Марангони. Исследование подтвердило, что избыток кислорода в порошковом сырье может привести к образованию дефектов в LAM.
Резюме диаграммы: Использовать лазерный аддитор для изготовления технологического репликатора (a), который может захватывать (b) пористость и (c) образовывать брызги во время взаимодействия лазера с материалом. Кроме того, мы провели аутопсию рентгеновского компьютерного анализа томографии (d), который выявил два типа пористости в траектории расплава: (i) открытая пористость и (ii) закрытая пористость.
1 Введение
Лазерное аддитивное производство (LAM) использует сфокусированный лазерный луч для селективного слияния порошковых частиц по слоям для создания сложных 3D – объектов. Он имеет большие перспективы в области аэрокосмической промышленности, ядерного синтеза и хранения энергии; Однако применение технологии LAM в этих областях затрудняется непоследовательной производительностью компонентов. В частности, из – за накопления остаточных напряжений и существующих дефектов, таких как пористость, сферизация и трещины, механическое, тепловое и электрическое имущество компонентов производства присадок ниже, чем кованые детали.
Турбинные лопасти из высокотемпературных сплавов на основе никеля (хром – никель – ферросплав 718), используемых в реактивных двигателях, производятся путем прямого лазерного спекания металлов (форма изготовления металлических добавок (MAM)).
Технология MAM позволяет использовать порошковое или проволочное сырье для создания деталей по слоям (рисунок 1). Лазерные или электронные лучи или плазменные дуги обычно используются для селективного переплавки сырья (на основе компьютерных проектных документов), что позволяет создавать детали через непрерывные лучи решетки и вспомогательные материалы. 3. По сравнению с традиционными методами этот процесс имеет множество преимуществ, в том числе способность производить полые и легкие детали, детали с геометрической формой, которая традиционно не может быть произведена, и возможность проведения ремонта на месте. Особым преимуществом MAM по сравнению с традиционной металлообработкой является то, что он может производить очень небольшие партии деталей за короткий промежуток времени, при меньших финансовых инвестициях (по сравнению с литьем, требующим дорогих форм), что делает его идеальным вариантом для небольших партий или одноразовых деталей и быстрого формования. Эти преимущества делают MAM привлекательной для широкого спектра отраслей, включая биомедицинскую инженерию, транспорт и оборону.
Хотя компьютерное моделирование может дать некоторое физическое понимание процессов аддитивного производства (AM), они требуют экспериментальных данных для проверки и проверки моделей, особенно экспериментальных данных о плавильных бассейнах и динамике дефектов. Некоторые данные могут быть собраны с помощью устройств мониторинга на месте, установленных на системах AM. Однако при формировании однослойной или многослойной орбиты эти устройства не могут выявить динамическое поведение (например, эволюцию пористости и отсутствие дефектов плавления) внутри орбиты расплава или расплава.
Диаграмма деформации измеренная во время деформации на месте в сканирующем электронном микроскопе.
Сравнивая значения скорости между тремя кривыми под одним и тем же углом, скорость продолжает снижаться в течение периода от 0344 до 0731 мс. Поскольку гравитация и трение практически не меняются, снижение скорости частиц может быть вызвано распадом расширяющегося металлического пара.
Брызги порошка и капли являются двумя другими распространенными недостатками, обнаруженными в LAM. Они влияют на синтетическую пористость и чистоту поверхности деталей AM. Они также могут привести к загрязнению порошкового слоя, неправильной диффузии порошка и повреждению системы AM.
Наша цель – определить, как различные уровни окисления порошка влияют на процесс АМ, включая их влияние на динамику бассейна и образование дефектов. Для этого мы используем рентгеновскую визуализацию синхронного излучения на месте и для мониторинга процесса LAM в режиме реального времени. Мы изучили влияние окисления порошка, изучив LAM с использованием сырья и порошкового сырья Инь Сталь 36, которое окисляется (хранится около 1 года). Наши результаты показывают, как оксиды могут обратить вспять поток Марангони, непосредственно влияя на формирование различных типов дефектов.
2. Итоги и обсуждение
Гранулы окислительного порошка распределены между 5 и 70. Мм. Режим 10 μм (рисунок 1). Изображение SEM на рисунке показывает поверхность порошка до того, как B2 был покрыт оксидом (рисунок 1a), но он показывает аналогичную форму и форму исходного порошка до B1. Карта XRD (рисунок 1b) согласуется с ожидаемым кубическим гамма – (Fe, Ni).
Диаграмма 1. Порошковые свойства Инвы 36: (а) распределение зернистости. Рисунок: Кислородные EDS – изображения покрыты вторичными электронными изображениями SEM. (b) Карта XRD показывает наличие гамма – фазы.
Влияние химии поверхности порошка на динамику бассейна неясно, поэтому мы используем XPS для изучения поверхности порошка оригинального (эталонного) и оксида Инвара 36. На рисунке 2 показано сканирование с высоким разрешением Ni 2p, Fe 2p, O1s и C1s в двух пробах порошка, которое показывает присутствие Fe, Ni, FeO, Fe2O3, NiO, Ni (OH) 2 и аморфных углеродных загрязнителей.
Рисунок 2 (a – d) Спектр XPS исходного и (e – h) порошка оксидной инвы 36.
Судя по XPS – сканированию с высоким разрешением Ni (диаграммы 2a и e) и Fe (диаграммы 2b и f), металлы, оксиды металлов и гидроксиды металлов имеют очень похожие формы и процентную долю пиковых площадей. Это говорит о том, что оксиды металлов / гидроксиды легко образуются при обработке порошка, в том числе при упаковке и переносе порошка. Во время LAM гидроксид металла может быть термически разложен на оксид металла, а затем выпущен в бассейн. Присутствие оксида железа и оксида никеля в плавильном бассейне приводит к изменению температурного коэффициента поверхностного натяжения с отрицательного на положительное, что приводит к развороту конвекции Марангони и созданию центростремительной конвекции.
2.1. БАМ из сырого и окисленного порошка инвы 36
Начальные, промежуточные и окончательные этапы эволюции траектории исходного порошкового расплава показаны на рисунке 3a. Лазерный луч высокой плотности мощности расплавляет порошковые частицы Инь Сталь 36, чтобы сформировать плавильный бассейн, а затем испаряет верхнюю поверхность плавильного бассейна, чтобы сформировать струю металлического пара. Мы предполагаем, что струя металлического пара косвенно нагревает аргон в зоне взаимодействия лазера и материала; Оба этих эффекта будут способствовать попаданию порошка в бассейн, брызгам и росту траектории. Когда лазерный луч движется быстрее, чем растет бассейн, он создает отдельный бассейн перед траекторией бассейна.
На рисунке 3 показаны рентгеновские снимки временных рядов свойств расплава, наблюдаемые во время LAM траектории первого слоя инвара 36.
3.2 Механизмы эволюции брызг
Из экспериментов по однослойной траектории расплава с использованием сырья и окислительного порошка мы наблюдали впрыски порошка и брызги капель по всему LAM. Наши результаты показывают, что орбитальное взаимодействие лазера – расплава создает индуцированную лазером струю пара и давление отдачи, перпендикулярное поверхности орбиты расплава, которое распыляет порошок при создании зоны эрозии (рис. 3 и 4). Мы предполагаем, что полоса эрозии имеет обратную колокольную форму и содержит высокую концентрацию металлических паров (рис. 4a). Высокотемпературный металлический пар косвенно нагревает окружающий аргон, создавая конвективные или внутренние потоки аргона в зоне эрозии, способствуя захвату порошка паровым приводом и удлиняя траекторию расплава.
На рисунке 4 показано влияние положения лазерного луча в траектории расплава на эволюцию брызг: а) образование порошковых брызг, когда лазерный луч находится на траектории расплава; (b) Когда лазерный луч находится перед траекторией расплава, образуются брызги капель.
Во время суспензии траектория плавления простирается горизонтально и глубже в порошковый слой, так как частицы порошка вблизи траектории плавления удаляются комбинацией металлического пара и горячего аргона. Лазерный луч плавит порошок глубже в порошковый слой и расплавляется перед траекторией плавления (рисунок 4a), тем самым снижая скорость роста во время удлинения траектории плавления. Лазерный луч продолжает двигаться и в конечном итоге облучает порошок перед траекторией расплава, образуя новый плавкий шарик (рисунок 4b). Иногда лазерный луч движется перед первым расплавленным шариком, образуя при этом еще один расплавленный шарик, поскольку профиль лазерного луча достаточно широк, чтобы взаимодействовать с порошком между расплавленным шариком и двумя расплавленными шариками.
На рисунке 5a показана положительная корреляция между размером и скоростью брызг, несмотря на значительное рассеяние.
Рисунок 5 Анализ LAM – брызг сырья и окислительного порошка, разделенный на три категории: первая категория, только брызги порошка; 2. Брызги порошка / сгустки + брызги капель; 3 Только капли брызгают. (a) Размер и скорость брызг и (b) форма брызг каждого типа.
На рисунке 5b показаны различные типы брызг в процессе LAM. Для исходного порошка брызги имеют приблизительно сферическую форму во всех размерных категориях. Для оксидных порошков брызги классов I и II имеют нерегулярную форму и образуются из воссоединенных порошков. Это, по – видимому, препятствует грубости сферических капель, указывая на то, что оксиды химически и / или физически отличаются друг от друга. Брызги класса III состоят главным образом из капель, покрытых воссоединенным порошком на поверхности. Данные ясно показывают, что окисление порошка сильно влияет на воссоединение порошка, образование пористости и стабильность пористости.
Чтобы изучить влияние брызг на качество деталей, оптический микроскоп использовался для характеристики траектории лазерного одиночного сканирования на образце AlSi10Mg после экспериментов с рентгеновским изображением на месте. Перед тем, как сделать оптическое изображение, рыхлый порошок с образца был сдут сжатым воздухом. Вид вниз и боковой вид орбиты показаны соответственно на рисунках (a) и (b) выше. Некоторые частицы были замечены спекающими на орбите. Типичным типом остаточных частиц являются застывшие брызги жидкости, как показано в красном круге. Размеры жидких брызг могут быть намного больше, чем размер исходного порошка. Когда некоторые холодные частицы (размером с исходный порошок) брызгают в область лазерного луча, частицы могут расплавиться в небольшие капли. Столкновения небольших капель могут образовывать большие брызги жидкости. Крупные застывшие брызги могут вызывать дефекты в завершенных деталях, поскольку (1) брызги могут нести высокие уровни кислорода, тем самым уменьшая смачивание фундамента. (2) Во время лазерного сканирования большие брызги могут не полностью расплавиться и стать потенциальным местом образования пористости.
3.3 Влияние динамики бассейна на разрыв пористости
В исследовании первичного порошка разрыв пористости не был значительным в условиях обработки, используемых в этом исследовании. Тем не менее, Leung et al. продемонстрировали, что в процессе отверждения разрыв пористости происходит за счет концентрации и переноса пористости.
В исследовании окислительного порошка мы выявили различные механизмы пористости в процессе LAM траектории расплава второго слоя, как показано на рисунке 6. Лазерный луч образует небольшое отверстие, которое проникает во второй порошковый слой и переплавляет верхнюю поверхность траектории первого слоя расплава (рисунок 6a). Лазерная переплавка облегчает передачу пористости в резервуаре, так что пористость удаляется в атмосферу через запертую пористость. Аналогичные наблюдения показаны на первом слое траектории расплава и на рисунке 3b. Для выполнения газового захвата эти поры должны находиться на расстоянии около 1 мм от поверхности порошкового слоя (по нашим параметрам).
Рисунок 6: Рентгенограмма временных рядов, показывающая траекторию расплава Инь Сталь 36, второго слоя окислительного порошка (P = 150).
На рисунке 6b показан новый механизм образования пористости в процессе LAM. При 7 аms лазер переплавляет поверхность первого слоя расплавленной орбиты и образует жидкий мост (выраженный фиолетовой пунктирной линией). Между 10 и 34,8 мс лазерный луч удваивает размер жидкого моста, одновременно ускоряя поток его внутреннего расплава, тем самым способствуя накоплению, росту и пропусканию пористости. Через 34.8 аms воздушный поток, управляемый Марангони, соединяет поры на обоих концах жидкого моста, что значительно ослабляет его структурную целостность. Лазерный луч повысит температуру материала вокруг пористости, подогреет пористость (см. Красную пунктирную стрелку) и расширит объем пористости пропорционально. Как только давление газа превышает поверхностное натяжение жидкого моста, жидкий мост разрывается (35 аms) и действует как поток жидкого металла (36 аms, образуя брызги капель. В результате замкнутые поры разрываются и открываются, оставляя вмятины или ямы на поверхности траектории расплава.
На рисунке 7 показана эволюция траектории третьего слоя расплава в оксидном порошке LAM. Подобно траектории плавления второго слоя, лазерный луч расплавляет порошок над отверстием перед траекторией плавления, образуя жидкий мост, который временно закрывает отверстие. С развитием LAM лазерный луч вызывает косвенное расширение газа лазерным приводом в отверстии, которое преодолевает прочность жидкого моста и приводит к разрыву отверстия, а затем образует отверстие и брызги капель. Это повторяющееся наблюдение показывает, что разрыв пористости является ключевым механизмом образования брызг капель и отверстий пористости в оксидном порошке LAM, который может быть применен к исходному порошковому LAM.
На рисунке 7 изображены рентгеновские снимки временных рядов, показывающие траекторию расплава третьего слоя Инва 36 (B2.3) в LAM при 150 Вт.
Рисунок 7b показывает новый механизм заживления пористости в процессе LAM. Лазерный луч пробивает траекторию второго и третьего слоев расплава, открывая уже существующие отверстия (361 миллисекунда). Газ расширяется к внутреннему диаметру уже существующих пористостей, толкая жидкий металл вверх (362 миллисекунды). Затем жидкий металл, приводимый в движение высоким поверхностным натяжением, вращается обратно на верхнюю орбиту (по указанию красной пунктирной стрелки) и заживляет поры. Внутреннее течение жидкого металла может быть приведено в движение конвекцией Марангони, что в сочетании с весом жидкого металла приводит к вращению плавильного бассейна вверх и обратно, тем самым восстанавливая пористость (361 – 363 миллисекунды).
3.4. Количественная оценка геометрии и пористости резервуара с временным разрешением
Используя рентгеновские снимки, мы количественно измерили геометрию траектории расплава по всему LAM и изменения в его внутренней пористости, как показано на рисунке 8. На рисунке 8a показано, что длина траектории окислительного порошка (L – B2.1) примерно на 20% длиннее, чем у исходного порошка (L – B1.1). Это связано с 1) снижением поверхностного натяжения, что приводит к дальнейшему расширению бассейна, и 2) увеличением брызг перед лазерным лучом, траектория которого простирается до дна порошкового слоя.
Рисунок 8 Количественная оценка свойств расплава во время LAM: a) длина и глубина траекторий расплава первого (B2.1), второго (B2.2) и третьего (B2.3) слоев и b) изменение пористости на траектории каждого расплава со временем.
3.5. аутопсия 3D – анализ
Разрешение пикселей рентгеновского оборудования с синхронным излучением составляет 6,6 мкм. Это означает, что мы не можем количественно определить диаметр менее 20 мкм. Кроме того, рентгеновский анализ не учитывает глубину пористости на пути рентгеновского луча. Поэтому мы провели XCT – сканирование с высоким разрешением, чтобы проверить образцы, сделанные из сырого и окислительного порошка, чтобы визуализировать и количественно определить распределение морфологии и апертуры в 3D.
На рисунке 9a показано, что траектория расплава, образующегося в исходном порошке, показывает пористость 0,08%. Согласно разрешению данных XCT, траектория расплава показывает отсутствие отверстий, но включает в себя некоторые области эквивалентного диаметра 10 μm На рисунке 9b показано, что общая пористость траектории расплава, образующегося в результате образования окислительного порошка, составляет 15,1%, из которых две трети (8,6%) – открытые, а одна треть (6,5%) – закрытые.
Рисунок 9 Трехмерное объемное картирование траектории расплава, изготовленного из (а) исходного порошка (В1) и (b) окислительного порошка (В2). (c) их соответствующее распределение апертуры.
Регулирование толщины покрытия является эффективным способом уменьшения брызг порошка. Как показано на рисунке ниже, паровая струя имеет обратный конус, который больше ограничен вблизи плавильного бассейна, но расширяется вдали от него. Таким образом, более тонкий порошковый слой с большей вероятностью будет полностью расплавлен лазером и оставит меньше рыхлого порошка на пути парового впрыска для впрыска.
Оптические изображения показывают влияние толщины порошкового слоя на микроструктуру образца AlSi10Mg, изготовленного с использованием добавок.
Сравнение компонентов AM, построенных с различной толщиной слоя, выявило доказательства воздействия толщины слоя. Два образца AlSi10Mg были изготовлены в коммерческих машинах AM с толщиной слоя 50 мкм и 30 мкм соответственно. поперечное сечение двух образцов было вырезано перпендикулярно направлению здания. Оптические изображения двух поперечных сечений показаны на рисунке (a, b) выше. Пористость, вызванная брызгами, может появиться в более толстом слое (50 мкм), обнаруженном в образце, как показано на рисунке (а). Однако при наличии относительно тонкого слоя (30 мкм) дефектов, вызванных брызгами, в образцах практически не было обнаружено. Плотность обоих образцов также подтверждает эти наблюдения. Плотность проб в 50 мкм слое составляла 2,5648 г / см3, что ниже плотности проб в 30 мкм слое
4. Выводы
В этом исследовании исследуется влияние окисления порошка на динамику плавильных бассейнов и раскрываются новые механизмы эволюции брызг, пористости и зоны отслаивания в процессе LAM в сырье и окислительном порошке.
Три типа порошка были представлены с помощью SEM – EDS, IGF – IR и XPS, включая исходный порошок B1, оксидный порошок B2 и эталонный исходный порошок. Толщина окислительного слоя окислительного порошка увеличивается из – за кислорода, образующегося при обработке порошка и / или длительном хранении в неидеальных условиях.
Наши результаты подтверждают, что увлажнение резервуара и порошковые зажимы, управляемые паром, являются ключевыми механизмами роста на орбите LAM. Содержание кислорода в окислительном порошке достаточно для того, чтобы температурный коэффициент поверхностного натяжения расплавленной стали 36 перешел от отрицательного к положительному, что превращает конвекцию Марангони из центробежного потока наружу в центробежный поток внутрь. Оксиды могут выступать в качестве ядерных точек образования отверстий и затем стабилизировать эти отверстия.
Мы обнаружили два новых явления, связанных с разрывом пористости в процессе LAM: (1) для содействия заживлению пористости с помощью подачи жидкости и (2) для открытия пористости, вызванной образованием брызг капель. Это указывает на то, что разбрызгивание капель может быть достигнуто за счет косвенного лазерного расширения газа в пределах траектории расплава и образования паровых струй, индуцированных лазером на поверхности расплава.
Количественные результаты и предложенный механизм показывают, что дефекты в аддитивном производстве можно свести к минимуму, используя металлический порошок с низким содержанием кислорода. Новые механизмы образования отверстий и брызг капель могут улучшить существующие модели технологического моделирования для прогнозирования этих дефектов. Количественная оценка геометрии траектории расплава со временем может быть использована для калибровки моделирования, чтобы точно предсказать поведение потока жидкости во время LAM. Наконец, с течением времени количественное определение пористости может быть использовано для проверки и улучшения существующего технологического моделирования для прогнозирования дефектов в условиях стратифицированного строительства.
Источник: “Влияние окисления порошка на образование дефектов при производстве лазерных присадок”, “Materials Journal”, doi.org / 10.1016 / j.ctamat.2018.12.027
Справочные материалы: Политика, необходимая для аддитивного производства, Национальная ассоциация материалов США. 15 (2016), стр. 815 – 818 https://doi.org/10.1038/nmat4658
Конструкция сплавов авиационных двигателей, Nat.Mater. 15 (2016), стр. 809 – 815 https://doi.org/10.1038/nmat4709
