Misurazioni del pool di fusione in situ per la fusione laser del letto di polvere mediante analisi multirilevamento e di correlazione

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 13716 (2022) Citare questo articolo

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La fusione laser del letto di polvere è una tecnologia promettente per la deposizione locale e il controllo della microstruttura, ma soffre di difetti come delaminazione e porosità a causa della mancata comprensione della dinamica del pool di fusione. Per studiare il comportamento fondamentale del pool di fusione, sono necessari sia il rilevamento geometrico che quello termico con elevate risoluzioni spaziali e temporali. Questo lavoro applica e integra tre tecnologie di rilevamento avanzate: imaging a raggi X di sincrotrone, telecamera IR ad alta velocità e telecamera IR ad alta risoluzione spaziale per caratterizzare l'evoluzione della forma del pool di fusione, del buco della serratura, del pennacchio di vapore e dell'evoluzione termica in Ti –Custodie per fusione spot in acciaio inossidabile 6Al–4V e 410. Oltre a presentare la capacità di rilevamento, questo documento sviluppa un algoritmo efficace per i dati di imaging a raggi X ad alta velocità per identificare accuratamente le geometrie dei pool di fusione. Vengono inoltre implementati metodi di preelaborazione per i dati IR per stimare il valore di emissività ed estrapolare i pixel saturati. Vengono eseguite quantificazioni su velocità al contorno, dimensioni del bagno di fusione, gradienti termici e velocità di raffreddamento, consentendo future dinamiche complete del bagno di fusione e analisi della microstruttura. Lo studio scopre una forte correlazione tra i dati termici e quelli a raggi X, dimostrando la fattibilità dell’uso di telecamere IR relativamente economiche per prevedere caratteristiche che attualmente possono essere catturate solo utilizzando costose immagini a raggi X di sincrotrone. Tale correlazione può essere utilizzata per il futuro controllo termico del pool di fusione e per la convalida del modello.

La fusione laser a letto di polvere (L-PBF) è un popolare metodo di produzione additiva di metalli (AM) (noto anche come stampa 3D in metallo)1,2,3,4. Utilizza un raggio laser per formare la parte sciogliendo ripetutamente polveri sottili sulla superficie del substrato. Grazie al suo modo di deposizione a strati e in base alla posizione, L-PBF può creare geometrie complesse che i metodi di produzione tradizionali non possono. Inoltre, in L-PBF, il controllo delle proprietà del materiale specifico del sito può essere ottenuto assegnando parametri di stampa specifici del sito5. Considerati i vantaggi di cui sopra, L-PBF è già stato utilizzato in molti settori come quello medico, aerospaziale e della difesa6,7.

Tuttavia, L-PBF soffre ancora di elevati stress residui, deformazione, delaminazione e porosità8,9,10. La mancanza di comprensione del processo di fusione e solidificazione in condizioni di non equilibrio è il principale ostacolo al raggiungimento di una deposizione di alta qualità11,12. L'evoluzione del pool di fusione e del buco della serratura deve essere ben studiata per consentire il controllo locale della microstruttura e ridurre al minimo la formazione di difetti13. Più specificamente, sono necessarie misurazioni del gradiente termico e della velocità al confine solido-liquido.

Il pool di fusione è il materiale in fase liquida delimitato dal confine mobile solido-liquido. Le proprietà del materiale di una parte stampata in 3D sono determinate dalla microstruttura risultante dal gradiente termico e dalla velocità al contorno da liquido a solido durante il processo di solidificazione14. Il buco della serratura è la zona di depressione del vapore al centro della vasca di fusione causata dal surriscaldamento, dalla vaporizzazione e dalla conseguente pressione di ritorno del vapore. La gravità del buco della serratura è strettamente correlata al livello di porosità del gas intrappolato durante il processo di fusione e solidificazione15,16. Si noti che la mancanza di fusione e il cracking a caldo possono introdurre ulteriore porosità, ma questi problemi sono su una scala molto più ampia e sono generalmente considerati inaccettabili; pertanto non sono trattati in questo documento.

Questo lavoro si concentra principalmente sulla fusione e solidificazione in un singolo punto. Anche se questo metodo presenta limitazioni in termini di applicabilità alla scansione lineare tradizionale, offre una condizione di bagno di fusione simile alla fusione a punti casuali. La strategia di fusione spot è stata scelta in questo articolo perché è un metodo innovativo sempre più popolare nell'AM in metallo, come evidenziato dalla letteratura recente (altamente citata)17,18,19,20,21. Inoltre, una comprensione completa della fusione a punto singolo è essenziale per costruire una piattaforma per convalidare gli sforzi di modellazione, che possono poi essere estesi a problemi più complessi. Il lavoro sperimentale di Dehoff et al.17 ha dimostrato che l'utilizzo della strategia di fusione spot può manipolare efficacemente la morfologia microstrutturale da colonnare a equiassica.