Передумови дослідження Зі швидким розвитком технології адитивного виробництва (AM), особливо широким застосуванням технології лазерного сплавлення порошкового шару (LPBF), сплав Inconel 718 став важливим матеріалом в аерокосмічній, енергетичній та інших -галузях промислового виробництва високого класу завдяки своїй чудовій продуктивності за високих температур, високого тиску та корозійних середовищ. Однак під час процесу лазерного сплавлення шару порошку термічна поведінка сплаву, стабільність ванни розплаву та ріст зерна значно впливають на кінцеві властивості матеріалу. Традиційні лазери Гауса зазвичай використовуються для такої обробки, але через нерівномірний розподіл енергії вони схильні спричиняти нестабільність басейну розплаву та нерівномірний ріст зерна. Лазери з плоским-верхом із рівномірними характеристиками розподілу енергії можуть забезпечити кращий контроль над стабільністю басейну розплаву та спрямованим ростом зерна. Очікується, що дослідження застосування плоских-лазерів у лазерному плавленні порошкового шару оптимізують продуктивність сплаву Інконель 718 і забезпечать теоретичну основу та технічну підтримку для високоякісного-виробництва.
Методи дослідження У цьому дослідженні використовувалося поєднання моделювання та експериментів, щоб дослідити вплив лазерів із плоским-верхом на поведінку ванни розплаву та ріст зерна під час лазерного сплавлення шару порошку зі сплаву Інконель 718. Було проведено моделювання сканування однієї доріжки, щоб вивчити вплив таких параметрів, як потужність лазера та швидкість сканування, на розподіл температури ванни розплаву, морфологію ванни розплаву та температурні градієнти. На основі результатів моделювання було проведено подальшу експериментальну перевірку з використанням високо-потужних плоских-лазерів для плавлення шару порошку Inconel 718, спостереження та аналіз морфології ванни розплаву, розміру зерна та властивостей матеріалу. Під час експериментів використовувалися такі методи, як мікроструктурне спостереження, дифракція рентгенівських променів і перевірка механічних властивостей, щоб комплексно оцінити ріст зерен, твердість матеріалу та властивості розтягування. Значимість дослідження. Це дослідження має значну теоретичну та інженерну цінність. Запровадження лазерів із плоским -верхом може ефективно вирішити такі проблеми, як нестабільність ванни розплаву та нерівномірний ріст зерен, які виникають із звичайними лазерами Гаусса під час обробки сплавів, забезпечуючи новий технологічний підхід до адитивного виробництва Inconel 718. Результати є важливими довідковими матеріалами для подальшої оптимізації процесів плавлення шару лазерного порошку, зокрема при обробці високо{14}}температурних сплавів, з широкими перспективами інженерного застосування. Крім того, це дослідження містить вказівки щодо проектування процесу адитивного виробництва інших високо-матеріалів, сприяючи застосуванню технології адитивного виробництва в аерокосмічній та інших галузях. Інновації Порівняння між-плоськими та традиційними лазерами Гауса: порівнюючи застосування лазерів із плоским-верхом і традиційними гаусовими лазерами в лазерному термоядерному синтезі порошкового шару, були виявлені переваги лазерів із плоскою вершиною у стабільності ванни розплаву та контролі росту зерна. Поєднання одно{22}}симуляції та експериментів: інтеграція моделювання та експериментальної перевірки забезпечує систематичну аналітичну структуру для розуміння ролі плоско{23}}лазерів у басейні розплаву. Оптимізація процесу для сплаву Inconel 718: надає стратегії оптимізації для процесу адитивного виробництва Inconel 718, особливо з точки зору потенційного покращення характеристик матеріалу, сприяючи високо-якісному виробництву високо{28}}температурних сплавів. Дослідження застосування лазера з плоским-верхом у термоядерному синтезі порошкового шару: у цьому дослідженні вперше систематично досліджено застосування лазера-плоського верху в лазерному термоядерному синтезі порошкового шару, надаючи нові напрямки для майбутніх досліджень у відповідних технологіях.
Результати та їх обговорення 1. Вплив потужності лазера та швидкості сканування на поведінку басейну розплаву У моделюванні та експериментах досліджували вплив різних потужностей лазера та швидкості сканування на розподіл температури, морфологію та температурний градієнт басейну розплаву. Результати показують, що при високій потужності лазера розподіл температури розплавленої ванни більш рівномірний. Лазери з плоским-верхом можуть ефективно зменшити коливання температури в басейні розплаву. Порівняно зі звичайними лазерами Гауса, лазери з плоским-верхом забезпечують більш стабільний розподіл теплового поля. Варіації швидкості сканування суттєво впливають на морфологію та швидкість охолодження ванни розплаву. За помірних швидкостей сканування поверхня ванни розплаву є гладкою, а процес охолодження є відносно рівномірним, що допомагає сформувати більш стабільну зернисту структуру. 2. Підвищення стабільності басейну розплаву за допомогою лазерів із плоским-верхом. Експериментальні результати показують, що під час використання лазерів із-плоскою верхньою поверхнею басейн розплаву демонструє більш стабільну поведінку під час лазерного сканування, уникаючи нестабільності, спричиненої надмірним теплом. градієнти. Порівняно з лазерами Гауса рівномірний розподіл потужності лазерів із плоскою-верхньою поверхнею ефективно зменшує флуктуації морфології ванни розплаву та сприяє хорошому плавленню, зменшуючи нерівномірне зростання на краях ванни розплаву. Ця стабільність має важливе значення для подальшого росту зерна та однорідності мікроструктури, ефективно покращуючи механічні властивості та надійність матеріалу. 3. Спрямованість росту зерна Під час обробки сплаву Inconel 718 лазерами з плоским-вершиною експерименти спостерігали кращу спрямованість росту зерна. Під рівномірним тепловим полем-лазера з плоскою вершиною довгі осі зерен прагнуть рости вздовж напрямку лазерного сканування, утворюючи спрямовану зернисту структуру. Таке спрямоване зростання значно покращує механічні властивості матеріалу, зокрема міцність на розрив і стійкість до втоми. Навпаки, використання гаусових лазерів демонструє значну випадковість росту зерна через нестабільність ванни розплаву, що призводить до нерівномірного розподілу зерна, що ще більше впливає на комплексні механічні властивості матеріалу. 4. Оптимізація властивостей матеріалу Завдяки аналізу мікроструктури та механічним випробуванням було виявлено, що сплав Inconel 718, оброблений лазерами з плоским-верхом, демонструє чудові властивості щодо твердості, міцності на розтяг міцність і втомлюваність: випробування на твердість показують, що зразки, оброблені лазером із плоскою вершиною, мають вищу твердість, що вказує на кращу щільність матеріалу та структурну цілісність. Результати випробувань на розтяг показують, що сплави, оброблені-лазером із плоскою верхньою частиною, мають вищі межі текучості та міцність на розтяг, а режим руйнування демонструє більш рівномірний розподіл напруги, запобігаючи поширенню тріщин. У випробуваннях на втому зразки, оброблені{-лазером-з плоским верхом, мають довший термін служби втоми, що вказує на кращу стійкість до втоми, що робить їх придатними для застосування з високою-ефективністю. 5.. Вплив термічної поведінки та процесу охолодження Під час охолодження зразки, оброблені лазером-з плоским{33}}верхом, демонструють відносно рівномірний температурний градієнт і стабільне охолодження швидкість, уникаючи термічної напруги та залишкової напруги, які можуть виникнути зі звичайними лазерами Гауса. Експериментальні результати показують, що більш рівномірний процес охолодження сприяє рівномірному розподілу внутрішніх напруг у матеріалі, запобігаючи деформації та розтріскування, спричиненим надмірним тепловим навантаженням.
6. Поєднання результатів моделювання та експерименту Висока узгодженість між результатами моделювання та експерименту вказує на те, що лазер із плоскою-верхньою поверхнею має значні переваги у покращенні стабільності басейну розплаву, орієнтації росту зерна та властивостей матеріалу. Результати моделювання забезпечують теоретичну основу та підтверджують ефективний контроль теплової поведінки ванни розплаву та росту зерна за допомогою плоского -верхнього лазера. Експериментальні дані додатково підтверджують цю теорію, підтверджуючи покращення властивостей матеріалу за допомогою лазера з плоским-верхом за допомогою випробувань на твердість, міцність на розрив і втому. Обговорення та висновок Порівняно з лазером Гауса, лазер із плоскою-верхівкою забезпечує значні переваги у стабільності басейну розплаву та орієнтації росту зерна. Його рівномірний розподіл потужності ефективно підвищує стабільність ванни розплаву, зменшує нерегулярні зміни форми ванни розплаву та сприяє спрямованому росту зерен у матеріалі. Оптимізація властивостей матеріалу: лазер-з плоскою вершиною не лише покращує поведінку ванни розплаву, але й значно покращує механічні властивості сплаву Інконель 718, демонструючи помітні переваги у твердості, міцності на розрив і стійкості до втоми. Це дослідження демонструє, що застосування лазерів із плоским-верхом у шарі лазерного порошкового плавлення не лише покращує стабільність ванни розплаву, але й забезпечує новий технічний шлях для виробництва високо{14}}ефективних матеріалів із широкими перспективами застосування, зокрема в аерокосмічній, енергетичній та інших сферах. Це дослідження пропонує нові ідеї для адитивного виробництва високоефективних-сплавів. У майбутньому можна буде додатково оптимізувати параметри процесу, а також досліджувати більше лазерних джерел для використання у високо{18}}температурних сплавах, що сприятиме широкому застосуванню технології адитивного виробництва в промисловому виробництві.
