Die Laser-Pulverbett-Fusion (Laser-Pulverbett-Fusion) ist derzeit das am weitesten verbreitete additive Fertigungsverfahren für Metalle. Unter der Steuerung computergestützter Konstruktions- und Zeichensoftware kann es Metallpulver durch Hochleistungslaser schmelzen. 

LPBF verfügt zwar über eine hervorragende Fertigung Die Fähigkeit, Teile mit komplexen Geometrien herzustellen, aber die Porosität der Teile ist immer noch die fatale Schwäche des Prozesses. Die Bildung von "Schlüssellöchern" (Dampfeinbuchtungen) während des Herstellungsprozesses führt zu Porosität und mindert dadurch die Eigenschaften der Legierung, insbesondere die Brucheigenschaften. Es wird auch die Korrosionsbeständigkeit und Ermüdungsbeständigkeit der Teile stark reduzieren.

Aus diesem Grund verwendeten Assistenzprofessor Zhao Cang von der Tsinghua University, Anthony D.Rollett von der Carnegie Mellon University und Tao Sun von der University of Virginia Hochgeschwindigkeits-Röntgenbildgebungstechnologie, um das durch die Titanlegierung verursachte Schlüsselloch ( Ti-6Al-4V). Der Entstehungsprozess der Porenstruktur. Die experimentellen Ergebnisse ergaben:

1. Die Schlüssellochpore im PV-Raum hat eine scharfe und glatte Grenzmorphologie und ändert sich zwischen der Lichtplatte und dem Pulverbett nicht viel.

2. Das Schlüsselloch im kritischen Instabilitätszustand erzeugt im Schmelzbad Schallwellen, die dem Luftloch in der Nähe der Spitze des Schlüssellochs eine zusätzliche und wichtige Antriebskraft verleihen, es vom Schlüsselloch fernhalten und zu einem Defekt werden.

3. Die Bildung kleiner kugelförmiger Poren kann auf das Vorhandensein von Pulver oder metastabilen Schmelzbedingungen zurückzuführen sein.

Schauen wir uns zuerst dieses "Schlüsselloch" an

Unter Hochleistungs-Laserschmelzbedingungen mit niedriger Scangeschwindigkeit drückt das starke Hinterstanzen, das durch die schnelle Metallverdampfung erzeugt wird, die umgebende geschmolzene Flüssigkeit nach unten, was zu tiefen und engen Hohlräumen führt, die als Schlüssellöcher (Schlüssellöcher) bezeichnet werden. Im Inneren des Schlüssellochs wird der Laser Der Strahl wird mehrfach reflektiert, was die Laserabsorption stark verbessert und die Energieumwandlungseffizienz verbessert. Unter bestimmten Laserbedingungen schwankt die Schlüssellochwand jedoch kontinuierlich und kollabiert. Dieser Prozess wird normalerweise der thermischen Kapillarkraft zugeschrieben, dem komplexen Zusammenspiel von Marangoni-Konvektion, Rückstoßdruck und Gasplasmaerzeugung. Die Instabilität dieses Schlüssellochs erzeugt Poren, und wenn sie an der Erstarrungsfront fixiert sind, werden diese Poren zu schädlichen strukturellen Defekten.

 Die Schlüssellochporengrenze und die Rolle des Pulvers beim Laserschmelzen. (A) PV-Raum, der hellgrün schattierte Bereich repräsentiert das stabile Schmelzsystem (bestehend aus stabilen Schlüsselloch-, Übergangs- und Leitungssystemen) und der hellgelbe Bereich repräsentiert das Schlüsselloch-Porositätssystem. Der lavendelfarbene Bereich und der blaue Pfeil zeigen den Grad der Instabilität und Porosität an, die durch die Zugabe von Pulver erhöht werden. (B) Röntgenbild bei konstantem P=382 W und unterschiedlichen Scangeschwindigkeiten. Die Oberseite ist eine Pulverbettprobe. Unten ist das Lichtbrettmuster.

Die Leistungs-Geschwindigkeits-(PV)-Raumkarte kann die Produktqualität (Dichte oder Porosität) mit Prozessparametern (Schnittlinienabstand) korrelieren und ist ein effektives Werkzeug für LPBF-Benutzer. Es gibt jedoch Mängel in der physikalischen Basis des PV-Raums, d. h. mit dem "Schlüssel" Ist es für die "Porengrenze" genau und wiederholbar, die Verarbeitungsbedingungen für die Herstellung dichter Teile von den Verarbeitungsbedingungen für Teile mit Hohlräumen zu trennen? Der räumliche Maßstab der Schlüssellochbildung ist Sub-Nanosekunden-Zeitauflösung, Mikrometer-Raumauflösung und Megahertz. Das Team verwendete Hochgeschwindigkeits-Röntgenbildgebung, um die Grenze der Schlüssellochpore quantitativ zu skizzieren, den Pulvereffekt zu klären und die grundlegende Quelle des Schlüssellochs und seine anfängliche Bewegung im LPBF-Prozess aufzudecken. Das defekte Teil im PV-Raum.

Die Skalierung und Fluktuation des Schlüssellochs an der Porengrenze. (A) und (B) Keyhole-Tiefe (C) Keyhole-Tiefe im PV-Raum (D) Scan-Geschwindigkeit und (E) Laserleistung versus Keyhole-Tiefe Relative Fluktuationsfunktion (F) Relative Fluktuation der Keyhole-Tiefe im PV-Raum (G) Funktionsbeziehung zwischen Schlüssellochtiefe und Energiedichte E (H) Vordere Schlüssellochwandlänge (I) Schlüssellochtiefe als Funktion von tanθ

Die Bildung und Bewegung des Schlüssellochs wird durch Schallwellen angetrieben, die durch die Instabilität des Schlüssellochs verursacht werden. (A) Röntgenbild der Entstehung des Schlüssellochs (B) Röntgenbild des ungleichmäßigen Brechens der Pore unter Einwirkung des Mikrostrahls (C, D) ) Porenumriss und Mikrostrahlschema (E) Schlüssellochtiefe über die Zeit (F) Äquivalenter Porendurchmesser, geschätzt aus dem C-Diagramm (G) Porenabstand (H) NKB-Bildung (I) Porosität verursacht durch akustische Wellen, die von NKB-Röntgenbildern der anfänglichen Bewegung (J) und (K) Schlüsselloch erzeugt werden Zusammenbruch, Restaurierung und Bewegung

Diese Forschung liefert nicht nur eine strengere Grundlage für die Vorhersage des Prozessfensters, sondern erklärt auch die Unbestimmtheit des Porenbildungsmechanismus in der Literatur zu LPBF, der von großer Bedeutung ist, um hohe Porosität zu vermeiden und hochwertige Metallteile herzustellen.

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