Механизм распыления при аддитивном производстве лазерным порошковым наплавлением на неоднородные поверхности

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 20384 (2022) Цитировать эту статью

1513 Доступов

1 Цитаты

Подробности о метриках

Лазерное порошковое аддитивное производство (PBF-LB) — это метод аддитивного производства, позволяющий производить высокоточные и полностью плотные детали. Однако неразрушающий контроль качества при отсутствии внутренних дефектов остается сложной задачей. Для устранения внутренних дефектов необходимо выяснить механизм их образования и улучшить условия технологического процесса ПБФ-ЛБ. Поэтому мы разработали систему мониторинга на месте, которая сочетает в себе измерение морфологии поверхности с помощью проекции полос и измерение теплового поля с помощью высокоскоростной камеры. На неоднородных поверхностях в практическом многодорожечном процессе PBF-LB показатель шероховатости построенной поверхности детали изменялся циклически, что согласуется с изменением угла между лазерным сканированием и потоком атмосферного газа. Мониторинг с помощью высокоскоростной камеры показал, что ванна расплава была асимметричной и имела веретенообразную форму, а брызги разлетались в основном со стороны построенной части ванны плавления. Кроме того, было обнаружено, что морфология поверхности встроенной детали под слоем порошка влияет на стабильность ванны расплава. В результате было предложено графическое изображение ванны расплава и разбрызгивания неоднородных поверхностей. Хотя теоретически оценить технологическое окно, в котором отсутствуют разбрызгивания и внутренние дефекты, все еще сложно, оборудование для мониторинга на месте предоставит информацию, позволяющую выявить разбрызгивание и образование внутренних дефектов.

Аддитивное производство лазерной порошковой сварки (PBF-LB) широко применяется в аэрокосмической1,2 и медицинской промышленности3,4. Однако процесс ПБФ-ЛБ имеет ряд ограничений, связанных с ухудшением качества продукции, вызванным внутренними микродефектами, и обеспечением стабильного производства продукции. Процесс PBF-LB позволяет создавать 3D-модели путем составления слоев порошка, облученных лазером. Порошковый слой представляет собой слой порошка, образованный в результате повторного нанесения порошкового покрытия, а затем облучения лазером, расплавляющего слой порошка и создающего 2D-сечение 3D-модели. PBF-LB требует контроля различных параметров с точки зрения характеристик порошка5,6, повторного нанесения порошка и процессов сборки7,8. Точнее, условия нанесения порошкового покрытия и характеристики порошка, включая распределение частиц порошка по размерам и сыпучесть порошка, влияют на характеристики слоя порошка, например, однородность толщины слоя порошка, плотность слоя порошка и шероховатость поверхности. Несмотря на то, что условия процесса строительства, например, лазерное облучение и условия атмосферы, одинаковы, построенный материал может содержать внутренние дефекты, когда характеристики слоя порошка различаются. Таким образом, влияние характеристик порошкового слоя на процесс плавления при лазерном сканировании необходимо для обеспечения качества конечной продукции9,10,11,12.

Недавние исследования по мониторингу слоя порошка и поверхности изготовленной детали на месте были направлены на выяснение механизма образования дефектов13,14,15,16,17,18,19,20. Для количественной оценки морфологии поверхности построенных деталей21 были предложены проецирование рисунка16, зрительное зондирование и интерферометрия с низкой когерентностью18. Однако морфология поверхности порошкового слоя не наблюдалась и о ней недостаточно сообщалось.

Кроме того, существующие исследования сосредоточены на механизме образования дефектов в процессе PBF-LB, а также разрабатываются методы мониторинга для обеспечения стабильного производства высококачественной продукции13,14,15,16,17,18. С помощью высокоскоростной камеры8,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34 и микросинхротрона Х исследован механизм образования дефектов, вызванных замочной скважиной и разбрызгиванием. -лучевая компьютерная томография (мкСКТ)35,36,37,38,39,40,41. Сообщалось о наблюдениях за разбрызгиванием и поведением ванны расплава для одиночной лазерной дорожки на слое порошка42,43,44,45,46,47,48,49,50; однако эти наблюдения не могут адекватно объяснить практическое лазерное сканирование, выполняемое в процессе PBF-LB. Большинство исследований было проведено для одной лазерной дорожки на однородной поверхности слоя порошка. Однако в практическом процессе используется несколько дорожек; каждый лазер сканирует линию с поверхностью слоя порошка с одной стороны и поверхностью твердой детали, созданной предыдущим лазерным сканированием, с другой. Поверхность, имеющую как слой порошка, так и поверхность твердой детали, в этом исследовании называется гетерогенной поверхностью. Насколько известно авторам, отсутствуют сообщения о систематической квалификации поведения разбрызгивания и ванны расплава на неоднородной поверхности.