Gepulster Laser

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 22247 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Die additive Metallfertigung (AM) ermöglicht die schnelle Anpassung komplexer Teile. Es kommt jedoch zur Bildung säulenförmiger Kornstrukturen, die den AM-Teilen anisotrope Eigenschaften verleihen. In dieser Studie schlagen wir eine gepulste laserunterstützte AM-Technik (PLAAM) zur In-situ-Kornverfeinerung von Ti-6Al-4V-Teilen vor. Ein gepulster Nanosekundenlaser wurde auf ein Schmelzbad fokussiert, um eine günstige Umgebung für die Förderung feiner gleichachsiger Körner zu erzeugen. Die PLAAM-Technik ergab eine durchschnittliche Prior-β-Korngröße von 549,6 μm, verglichen mit 1297 μm bei der herkömmlichen AM-Technik. Darüber hinaus sank der Maximalwert des Vielfachen der gleichmäßigen Verteilung der β-Phase bei Verwendung der PLAAM-Technik von 16 auf 7,7, was auf eine geschwächte kristallographische Textur hinweist. Diese Änderungen bestätigen, dass die vorgeschlagene PLAAM-Technik feinere und gleichachsigere Prior-β-Körner fördert. Da es sich bei der vorgeschlagenen Technik außerdem um eine berührungslose Technik handelt, kann sie auf bestehende Prozesse angewendet werden, ohne dass die Werkzeugwege angepasst werden müssen.

Metalladditive Fertigung (AM) ist ein weit verbreitetes Schicht-für-Schicht-Verfahren für die schnelle Prototypenerstellung und Herstellung komplexer dreidimensionaler Metallstrukturen1. Die nachteiligen anisotropen Zug- und Ermüdungseigenschaften grober säulenförmiger Kornstrukturen von AM-Teilen verhindern jedoch den weit verbreiteten Einsatz von AM in der Fertigungsindustrie2,3. Bei typischen AM-Prozessen bilden sich in kleinen Schmelzbecken steile Wärmegradienten aus, die zu einem starken epitaktischen Wachstum säulenförmiger Körner entlang der Aufbaurichtung führen2,3.

Unter den verschiedenen Metall-AM-Materialien ist Ti-6Al-4V aufgrund seiner hervorragenden Anwendbarkeit in der Biomedizin- und Luft- und Raumfahrtindustrie das am meisten erforschte Material1. Da typische Ti-6Al-4V AM-Teile jedoch grobe säulenförmige Prior-β-Körner aufweisen, weisen sie anisotrope Zugeigenschaften auf1. Daher ist die Förderung feiner gleichachsiger Körner in AM-Teilen zu einem wichtigen Forschungsthema zur Verbesserung ihrer Zugeigenschaften geworden3.

Für die Einführung gleichachsiger Körner in den AM-Teilen wurden verschiedene Techniken vorgeschlagen. Das Einbringen zusätzlicher Partikel zur Unterstützung der aktiven Keimbildung hat sich als wirksam bei der Förderung des Übergangs von säulenförmig zu gleichachsig erwiesen, obwohl Änderungen in der Materialzusammensetzung unvermeidlich sind4,5,6. Es wurden auch Nachbearbeitungstechniken wie Zwischenwalzen7, maschinelles Hammerstrahlen8, Ultraschallschlagbehandlung9 und Laserschockstrahlen10,11 vorgeschlagen. Da diese Techniken jedoch nach der Verfestigung der Schichten angewendet werden, erfordern sie mehr Verarbeitungszeit und können die Komplexität der AM-Teile begrenzen. Ultraschallunterstützte AM löst dieses Problem, indem es dem Schmelzbad hohe Ultraschallenergie zuführt12. Allerdings muss ein Ultraschallwandler an der Unterseite der Grundplatte angebracht werden, um effizient ausreichend Energie zum Rühren des Schmelzbades zu liefern. Um diese Kontakttechnik anzuwenden, müssen Implementierungsprobleme gelöst werden, da es schwierig ist, stabile Effekte auf das bewegte Schmelzbad mit seiner dreidimensionalen Flugbahn sicherzustellen. Kürzlich wurde die Abgabe lokalisierter Ultraschallenergie innerhalb des Schmelzbades mittels intensitätsmodulierter Laserbestrahlung zur In-situ-Kornverfeinerung untersucht13. Als Machbarkeitsnachweis wurde die Technik auf einer Edelstahlplatte verifiziert und zeigte, dass der intensitätsmodulierte Laser gleichzeitig Oberflächenschmelzen und Ultraschallerzeugung durchführen kann. In der Zwischenzeit wurde kürzlich ein durch synchrone Induktionserwärmung unterstütztes AM für die In-situ-Mikrostrukturkontrolle vorgeschlagen. Es bleibt jedoch die Aufgabe, die Technik stabil auf beliebig geformte Teile anzuwenden14.

In dieser Studie schlagen wir eine gepulste laserunterstützte AM-Technik (PLAAM) vor, um die Prior-β-Körner von Ti-6Al-4V-Teilen während der lasergesteuerten Energieabscheidung (DED) zu verfeinern. Ein gepulster Nanosekundenlaser wurde in ein DED-System integriert, um während der AM hohe gepulste Energie an das Schmelzbad zu liefern. Da es sich bei PLAAM um eine In-situ- und berührungslose Technik handelt, die das Schmelzbad beeinflusst, kann sie auf die additive Fertigung komplexer Objekte beliebiger Größe und Form angewendet werden. Inspiriert von der Kontakt-Ultraschalltechnik12 und den gut etablierten gepulsten Lasereffekten auf Flüssigkeiten15 nutzt die vorgeschlagene Technik laserinduzierte Stoßwellen, Kavitation und beschleunigte Marangoni-Strömung im Schmelzbad, um eine günstige Umgebung für die Bildung von Feinpartikeln zu schaffen gleichachsige Prior-β-Kornstruktur.

Wir zeigen experimentell, dass die von PLAAM hergestellten Teile feinere und nahezu gleichachsige Prior-β-Kornstrukturen aufweisen. Darüber hinaus präsentieren wir eine physikalische Erklärung, wie die Anwendung eines gepulsten Lasers die vorherige β-Kornstruktur der abgeschiedenen Schichten verändern kann.

Die PLAAM-Technik ist in Abb. 1 dargestellt. Um das Schmelzbad genau zu lokalisieren und die gepulste Laserenergie während der AM direkt zu liefern, wurde der gepulste Laser mithilfe eines fasergeführten Fokusmoduls, das an der DED-Düse angebracht war, auf das Schmelzbad fokussiert. Das Fokusmodul wurde am DED-Positionierungsrahmen befestigt, sodass die Brennpunkte des gepulsten Lasers und des DED-Lasers während der AM zusammenfielen. Obwohl in dieser Studie eine außeraxiale Konfiguration gewählt wurde, kann der gepulste Laser koaxial zum DED-Laser konstruiert werden, indem ein dichroitischer Spiegel für eine vollständige Integration verwendet wird16.

Gepulste laserunterstützte AM (PLAAM). (a) Off-Axis-Konfiguration eines PLAAM-Systems. (b) Der gepulste Laser induziert Stoßwellen, Kavitation und eine beschleunigte Marangoni-Strömung im Schmelzbad und sorgt so für eine günstige Umgebung für die Kornverfeinerung.

Die gepulsten Lasereffekte sind in Abb. 1b dargestellt. Die Wellenlänge und Pulsdauer des gepulsten Lasers betrugen 532 nm bzw. 10 ns. Die Fokusgröße und die Pulsleistungsdichte wurden mit 2,8 × 10−3 cm2 bzw. 0,41 GW/cm2 gewählt, sodass im Schmelzbad Stoßwellen und Kavitation erzeugt werden konnten. Bei einer angegebenen Leistungsdichte über der dielektrischen Durchschlagsschwelle von Titan, 0,36 GW/cm217, kam es im Schmelzbad zu einem Lawinenprozess der Ionisierung, auch dielektrischer Durchschlag genannt, mit hörbarem Ablationsgeräusch und hellen, sichtbaren Plasmafunken. Es ist bekannt, dass diesen Phänomenen Plasmabildung, Stoßwellenausbreitung und Kavitationserzeugung folgen15. Darüber hinaus reichten die ausgewählten Parameterwerte des gepulsten Lasers aus, um den Marangoni-Fluss im Schmelzbad zu beschleunigen16. Es wurde erwartet, dass die Änderung der Materialzusammensetzung vernachlässigbar ist, da die Laserablationstiefe in der Größenordnung der Wellenlänge des gepulsten Lasers (532 nm) liegt15. Eine detaillierte Erläuterung dieser gepulsten Lasereffekte auf die Verfeinerung der Prior-β-Körner erfolgt anschließend im Abschnitt „Diskussion“.

Die DED-Prozessparameter wurden so ausgewählt, dass bei der Mehrschicht-AM eine Zielschichthöhe von 250 μm aufrechterhalten wird. Mit den gewählten DED-Parametern wurde die Energiedichte mit 100 J/mm2 berechnet, wodurch sichergestellt werden kann, dass der Gesamtvolumenanteil der Poren unter 0,1 % liegt18. Da die durch die zusätzliche Impulslaseranregung erhöhte durchschnittliche Eingangsleistung nur 1,15 % betrug, hatte eine so kleine zusätzliche Eingangsleistung kaum Auswirkungen auf die Auswahl der DED-Laserleistung. Bei einer Scangeschwindigkeit von 300 mm/min und einer Wiederholrate des gepulsten Lasers von 100 Hz betrug der Abstand zwischen den beiden aufeinanderfolgenden gepulsten Anregungen während der PLAAM 50 μm. Da typische Ti-6Al-4V-AM-Proben säulenförmige Prior-β-Körner von mehreren Millimetern in der Aufbaurichtung und mehreren Hundert Mikrometern in der Scanrichtung aufweisen2,12, betrugen die angegebenen vertikalen (250 μm) und lateralen (50 μm) Anregungsintervalle eine Größenordnung kleiner als die Prior-β-Korngröße. Somit könnte der gepulste Laser die Prior-β-Kornstruktur effektiv verändern. Weitere Untersuchungen zur Optimierung der gepulsten Laserparameter sind erforderlich, um die Kornverfeinerung zu maximieren.

Wie in den Bildern der optischen Mikroskopie (OM) in Abb. 2a und b gezeigt, wies die PLAAM-Probe im Vergleich zur herkömmlichen AM-Probe mit großen säulenförmigen Prior-β-Körnern feinere und gleichachsigere Prior-β-Körner auf, die über die gesamte Bauhöhe von 30 mm verteilt waren. β-Körner. Die Prior-β-Korngrenzen wurden zur weiteren Analyse mit der ImageJ-Software19 manuell verfolgt. Die Anzahl der Prior-β-Körner pro Flächeneinheit der PLAAM-Probe (6,91 mm−2) war 3,78-mal so groß wie die der herkömmlichen AM-Probe (1,83 mm−2), was bedeutet, dass die PLAAM-Probe feinere Prior-β-Körner aufwies. Darüber hinaus werden die Längen und Aspektverhältnisse der Prior-β-Körner in Histogrammen dargestellt, um die Änderungen in der Kornstruktur statistisch darzustellen (siehe Abb. 2c, d). Mit der PLAAM-Technik verringerte sich die mittlere Länge der Prior-β-Körner von 1297 auf 549,6 μm und das mittlere Seitenverhältnis von 3,5 auf 2,5. Darüber hinaus war die Variation der Prior-β-Korngröße und -Form bei Verwendung von PLAAM geringer als bei herkömmlicher AM. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die PLAAM-Probe feinere gleichachsige Prior-β-Körner aufweist als die herkömmliche AM-Probe.

Änderung der Prior-β-Kornstruktur. OM-Bilder entlang der Baurichtung herkömmlicher AM- (a) und PLAAM-Proben (b). z und x sind die Aufbau- bzw. Querrichtung. Histogramme der Länge (c) und des Seitenverhältnisses (d) der in (a) und (b) beobachteten Prior-β-Körner. Die überlappenden Histogramme werden in einer dunkleren Farbe angezeigt.

Zur genaueren Untersuchung der Prior-β-Körner wurde eine Elektronenrückstreuungsanalyse (EBSD) an den Proben durchgeführt, wie in Abb. 3 dargestellt. Die inversen Polfigurenkarten für die β-Phase (Abb. 3a, c) zeigen, dass die Die PLAAM-Probe hatte eine nahezu gleichachsige Prior-β-Kornstruktur, verglichen mit der herkömmlichen AM-Probe mit einer säulenförmigen Prior-β-Kornstruktur entlang der Aufbaurichtung. Die inversen Polfigurenkarten wurden mit der Open-Source-MATLAB-Toolbox MTEX20 rekonstruiert. Konturierte Polfiguren für die β-Phase der beiden Proben (Abb. 3b, d) wurden ebenfalls berechnet, um die Texturänderung mit Vielfachen von Werten der gleichmäßigen Verteilung (MUD) quantitativ zu visualisieren. Die PLAAM-Probe hatte einen maximalen MUD von 7,7, was weniger als der Hälfte des Wertes der herkömmlichen AM-Probe entsprach (16). Im Vergleich zu einer starken kristallographischen Textur in der < 001 >-Richtung, die in der AM-Probe gezeigt wird, wird in der PLAAM-Probe eine schwache Textur beobachtet. Diese Ergebnisse bestätigen, dass die PLAAM-Probe im Vergleich zur herkömmlichen AM-Probe eine isotropere Struktur mit feineren Prior-β-Körnern aufwies.

EBSD-Analyse der konventionellen AM- (a, b) und PLAAM-Proben (c, d). Inverse Polfigurenkarten für die β-Phase entlang der Aufbaurichtung (a, c). Konturierte Polfiguren für die β-Phase (b, d). z und (x,y) sind die Baurichtung bzw. die Querebene.

Die gepulsten Laserparameter wurden ausgewählt, um (1) den Marangoni-Fluss im Schmelzbad durch sofortige und lokale Erwärmung auf der Oberfläche zu beschleunigen16; (2) Stoßwellen erzeugen; und (3) nach einem dielektrischen Durchschlag Kavitationen im Schmelzbad erzeugen15. Hier diskutieren wir, wie diese Effekte die gleichachsige Keimbildung im Schmelzbad verstärken. Eine gleichachsige Keimbildung kann durch eine Erhöhung der konstitutionellen Unterkühlung gefördert werden21. Um die konstitutionelle Unterkühlung zu erhöhen, sollte entweder die Schmelztemperatur erhöht oder der Wärmegradient verringert werden.

Durch das Auftreffen von Hochdruck-Stoßwellen auf das Schmelzbad kann die Schmelztemperatur erhöht werden. Basierend auf der Clausius-Clapyron-Gleichung kann der Zusammenhang zwischen der Erhöhung der Schmelztemperatur und der Druckänderung wie folgt ausgedrückt werden:

wobei \({\textit{T}}_{{\text{m}}}\) die Schmelztemperatur (K), \({\textit{P}}\) der Druck (Pa), \( {\textit{V}}\) ist die Volumenänderung beim Schmelzen (m3) und \({\textit{H}}\) ist die latente Schmelzwärme (J/kg). Basierend auf Gl. (1) und den in Tabelle 1 zusammengefassten Materialeigenschaften von Ti-6Al-4V führt beispielsweise ein durch Kavitation erzeugter Stoßdruck von 100 MPa22 zu einem Schmelztemperaturanstieg von 8,66 K. Darüber hinaus führt dies bei einer Leistungsdichte von 0,41 GW/cm2 erzeugen die durch gepulste Laser induzierten Stoßwellen, die auf das Schmelzbad auftreffen, Drücke von bis zu 336,2 MPa gemäß Lindls Gleichung23,24:

Dabei ist P der erzeugte Stoßdruck (GPa), I die Laserleistungsdichte (1015 W/cm2) und λ die Wellenlänge des Lasers (μm). Dieser hohe Druck führt zu einem Anstieg der Schmelztemperatur um 29,31 K. Dieser Anstieg der Schmelztemperatur führt direkt zu einem Anstieg der konstitutionellen Unterkühlung25. Mit zunehmender konstitutioneller Unterkühlung werden wahrscheinlich anfängliche Kerne in der Nähe der Kavitations- und Stoßwellenfronten aktiviert. Diese Ereignisse können das epitaktische Wachstum säulenförmiger Körner durch Konkurrenz unterdrücken. Frühere Arbeiten haben experimentell einen ähnlichen Mechanismus demonstriert, bei dem ultraschallinduzierte Kavitationen zur Förderung der gleichachsigen Keimbildung beim Schweißen25 und bei AM12,21 zum Einsatz kamen. Die Leistung von PLAAM kann mit einer aktuellen Studie26 über das Legieren von Yttriumoxid-stabilisiertem Zirkoniumoxid (YSZ) für kornverfeinertes AM von Ti-6Al-4V verglichen werden. Die Autoren zeigten, dass die Zugabe von 5 % YSZ zu Ti-6Al-4V die konstitutionelle Unterkühlung um 112 K erhöhte und die durchschnittliche Länge der Prior-β-Körner von > 2 mm auf 118 μm verringerte.

Bei PLAAM steigerten die gepulsten Lasereffekte die konstitutionelle Unterkühlung weiter, indem sie den Wärmegradienten innerhalb des Schmelzbades verringerten. Aufgrund der entgegengesetzten Richtungen der Marangoni-Strömung und der gepulsten laserinduzierten Stoßwellen, wie in Abb. 1b dargestellt, entsteht im Schmelzbad eine heftige turbulente Strömung16. Darüber hinaus erzeugen kavitationsinduzierte Stoßwellen sporadische und sofortige Turbulenzen im Schmelzbad. In dieser Umgebung verteilen sich durch erhöhte konstitutionelle Unterkühlung aktivierte Keime im Schmelzbad. Daher ist das epitaktische Wachstum großer säulenförmiger Prior-β-Körner einem weiteren Wettbewerb ausgesetzt.

Zusammenfassend haben wir eine In-situ-Kornverfeinerung von Ti-6Al-4V-Teilen mithilfe einer hybriden AM-Technik namens PLAAM demonstriert. Die vorgeschlagene Technik nutzt einen gepulsten Laser mit hoher Leistungsdichte, um eine günstige Umgebung für das Wachstum gleichachsiger Prior-β-Körner zu schaffen. Da es sich bei der Technik um einen berührungslosen Typ handelt, kann sie auf jede vorhandene AM-Ausrüstung angewendet werden, ohne dass der beliebige Werkzeugweg angepasst werden muss. Mikrostrukturelle Untersuchungen zeigen, dass die PLAAM-Probe kleinere und gleichachsigere Prior-β-Körner aufweist als die herkömmliche AM-Probe mit großen säulenförmigen Prior-β-Körnern. Außerdem sank der maximale MUD-Wert der β-Phase bei Verwendung der PLAAM-Technik von 16 auf 7,7, was auf eine geschwächte Textur und verfeinerte Prior-β-Körner hinweist. Zur weiteren Anpassung des vorgeschlagenen Ansatzes wird auch eine detaillierte Erläuterung der gepulsten Lasereffekte auf das Schmelzbad gegeben. Da die gleichachsige Prior-β-Kornstruktur für ihre isotropen und hochfesten Eigenschaften bekannt ist, wird erwartet, dass die vorgeschlagene Technik zur Herstellung hochwertiger AM-Metallteile umfassend untersucht wird.

Ein gütegeschalteter gepulster Nd:YAG-Laser (Centurion+, Quantel) wurde in ein Laser-Metallpulver-DED-System (MX-400, InssTek) integriert, das mit einem kontinuierlich arbeitenden Yb-Faser-DED-Laser ausgestattet war, wie in Abb. 1a dargestellt. Die Arbeitsabstände des gepulsten Lasers und des DED-Lasers betrugen 43 mm bzw. 9 mm. Die Leistung und der Fokusdurchmesser des DED-Lasers, die Pulverzufuhrrate und die Flussrate des koaxialen Argongases wurden auf 100 W, 800 μm, 1 g/min bzw. 6,0 l/min eingestellt.

Wände mit Abmessungen von 30 × 30 × 1,3 mm (Höhe × Breite × Dicke) aus 120 Schichten wurden sowohl mit der herkömmlichen AM- als auch mit der PLAAM-Technik hergestellt. Zur Abscheidung der Schichten wurde handelsübliches 23 Ti-6Al-4V-Pulver (AP&C) mit einem Durchmesser von 45 bis 150 μm verwendet. Die Proben wurden zur Inspektion der Kornstruktur nach der Herstellung vom Substrat getrennt. Die Proben wurden poliert und mit einem Kroll-Ätzmittel (4 ml HF, 6 ml HNO3 und 90 ml H2O) geätzt. Die Struktur und Form der Prior-β-Körner wurden mittels OM (Stemi 508, ZEISS) untersucht. Die Mikrostrukturtextur wurde mittels EBSD mit einem Detektor (QUANTAX EBSD, Bruker) untersucht, der mit einer Beschleunigungsspannung von 20 kV und einer Schrittweite von 4,2 μm betrieben wurde.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim jeweiligen Autor erhältlich.

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Diese Arbeit wurde durch ein von der koreanischen Regierung (MSIT) finanziertes Stipendium der National Research Foundation of Korea (NRF) unterstützt [Fördernummer 2019R1A3B3067987]. HY wurde während seines Aufenthalts bei KAIST von SQ Engineering unterstützt.

Hansol Yoon

Aktuelle Adresse: Tomocube, Daejeon, 34109, Republik Korea

Gwanghyo Choi

Aktuelle Adresse: Analysis Solution Center, SK Innovation, 34124, Daejeon, Republik Korea

Global R&D Center, SQ Engineering, Seoul, 05818, Republik Korea

Hansol Yoon

Abteilung für Bau- und Umweltingenieurwesen, Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), Daejeon, 34141, Republik Korea

Hansol Yoon, Peipei Liu & Hoon Sohn

Zentrum für zerstörungsfreie 3D-Druckprüfung, KAIST, Daejeon, 34141, Republik Korea

Peipei Liu & Hoon Sohn

Abteilung für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, KAIST, Daejeon, 34141, Republik Korea

Yejun Park, Gwanghyo Choi und Pyuck-Pa Choi

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HY, PL und HS konzipierten die Experimente. HY und PL führten die Experimente durch. HY etablierte den Kornverfeinerungsmechanismus. YP und GC führten die EBSD-Analyse durch. HY, PL, YP und GC führten alle verbleibenden Analysen durch. HY vorbereitete Feigen. 1 und 2. HY und YP vorbereitet Abb. 3. PPC überwachte alle Analysen. HS betreute das gesamte Projekt. HY hat das Manuskript mit den Beiträgen aller Co-Autoren verfasst.

Korrespondenz mit Hoon Sohn.

HY wurde während seines Aufenthalts bei KAIST von SQ Engineering unterstützt. Die übrigen Autoren erklären keine konkurrierenden Interessen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Yoon, H., Liu, P., Park, Y. et al. Gepulste lasergestützte additive Fertigung von Ti-6Al-4V zur In-situ-Kornverfeinerung. Sci Rep 12, 22247 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-26758-y

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Eingegangen: 28. Juni 2022

Angenommen: 20. Dezember 2022

Veröffentlicht: 23. Dezember 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-26758-y

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