Antecedentes de la investigación Con el rápido desarrollo de la tecnología de fabricación aditiva (AM), especialmente la aplicación generalizada de la tecnología de fusión láser de lecho de polvo (LPBF), la aleación Inconel 718 se ha convertido en un material importante en el sector aeroespacial, energético y otros campos de fabricación de -alta gama debido a su excelente rendimiento en entornos corrosivos, de alta temperatura y alta presión. Sin embargo, durante el proceso de fusión por láser en lecho de polvo, el comportamiento térmico de la aleación, la estabilidad del baño de fusión y el crecimiento del grano afectan significativamente las propiedades finales del material. Los láseres gaussianos tradicionales se utilizan comúnmente para dicho procesamiento, pero debido a su distribución desigual de energía, son propensos a causar inestabilidad en el baño de fusión y crecimiento irregular del grano. Los láseres de superficie plana-, con sus características uniformes de distribución de energía, pueden proporcionar un mejor control sobre la estabilidad del charco de fusión y el crecimiento direccional del grano. Se espera que la investigación de la aplicación de láseres de superficie plana-en la fusión de lechos de polvo por láser optimice el rendimiento de la aleación Inconel 718 y proporcione una base teórica y soporte técnico para una fabricación de alta-calidad.
Métodos de investigación Este estudio empleó una combinación de simulación y experimentación para investigar los efectos de los láseres de superficie plana-en el comportamiento del baño de fusión y el crecimiento del grano durante la fusión del lecho de polvo con láser de la aleación Inconel 718. Se realizaron simulaciones de escaneo de una sola-vía para estudiar la influencia de parámetros como la potencia del láser y la velocidad de escaneo en la distribución de la temperatura del baño de fusión, la morfología del baño de fusión y los gradientes térmicos. Sobre la base de los resultados de la simulación, se realizó una validación experimental adicional utilizando láseres de superficie plana-de alta potencia para la fusión de lechos de polvo de Inconel 718, observando y analizando la morfología del baño de fusión, el tamaño del grano y las propiedades del material. Durante los experimentos, se emplearon técnicas como observación microestructural, difracción de rayos X-y pruebas de propiedades mecánicas para evaluar integralmente el crecimiento del grano, la dureza del material y las propiedades de tracción. Importancia del estudio Este estudio tiene un valor teórico y de ingeniería significativo. La introducción de láseres de superficie plana-puede mejorar eficazmente problemas como la inestabilidad del baño de fusión y el crecimiento irregular de granos que se producen con los láseres gaussianos convencionales durante el procesamiento de aleaciones, proporcionando un nuevo enfoque tecnológico para la fabricación aditiva de Inconel 718. Los resultados ofrecen referencias importantes para una mayor optimización de los procesos de fusión de lechos de polvo por láser, particularmente en el procesamiento de materiales de aleación de alta-temperatura, con amplias perspectivas de aplicaciones de ingeniería. Además, este estudio proporciona orientación para el diseño del proceso de fabricación aditiva de otros materiales de alto-rendimiento, promoviendo la aplicación de tecnología de fabricación aditiva en el sector aeroespacial y otros campos. Innovaciones Comparación entre láseres gaussianos de superficie plana-y tradicionales: al comparar la aplicación de láseres de superficie plana-con láseres gaussianos tradicionales en la fusión de lechos de polvo con láser, se revelaron las ventajas de los láseres de superficie plana{-en la estabilidad del baño de fusión y el control del crecimiento de granos. Combinación de simulación y experimentación de una sola-pista: la integración de la simulación y la verificación experimental proporciona un marco analítico sistemático para comprender el papel de los láseres-de superficie plana en el baño de fusión. Optimización de procesos para la aleación Inconel 718: Proporciona estrategias de optimización para el proceso de fabricación aditiva de Inconel 718, especialmente en términos de posibles mejoras en el rendimiento del material, promoviendo una producción de alta-calidad de aleaciones de alta-temperatura. Exploración de aplicaciones de láseres de superficie plana-en la fusión de lechos de polvo: este estudio exploró sistemáticamente la aplicación de láseres de superficie plana-en la fusión de lechos de polvo con láser por primera vez, lo que proporciona nuevas direcciones para futuras investigaciones en tecnologías relacionadas.
Resultados y discusión 1. Efectos de la potencia del láser y la velocidad de escaneo sobre el comportamiento del charco fundido Tanto en simulaciones como en experimentos, se exploraron los efectos de diferentes potencias del láser y velocidades de escaneo sobre la distribución de temperatura, la morfología y el gradiente térmico del charco fundido. Los resultados indican que a alta potencia del láser, la distribución de temperatura del baño fundido es más uniforme. Los láseres-de superficie plana pueden reducir eficazmente las fluctuaciones de temperatura en la piscina fundida. En comparación con los láseres gaussianos convencionales, los láseres-de superficie plana proporcionan una distribución del campo térmico más estable. Las variaciones en la velocidad de escaneo afectan significativamente la morfología y la velocidad de enfriamiento del baño fundido. A velocidades de escaneo moderadas, la superficie del baño fundido es lisa y el proceso de enfriamiento es relativamente uniforme, lo que ayuda a formar una estructura de grano más estable.. 2. Mejora de la estabilidad del baño fundido mediante láseres de superficie plana-Los resultados experimentales muestran que cuando se utilizan láseres de superficie plana-, el baño fundido exhibe un comportamiento más estable durante el escaneo láser, evitando la inestabilidad causada por gradientes térmicos excesivos. En comparación con los láseres gaussianos, la distribución uniforme de potencia de los láseres de superficie plana-reduce eficazmente las fluctuaciones en la morfología del baño fundido y promueve una buena fusión, reduciendo el crecimiento irregular en los bordes del baño fundido. Esta estabilidad es importante para el posterior crecimiento del grano y la uniformidad de la microestructura, mejorando efectivamente las propiedades mecánicas y la confiabilidad del material.. 3. Direccionalidad del crecimiento del grano Al procesar la aleación Inconel 718 con láseres de superficie plana-, los experimentos observaron una mejor direccionalidad en el crecimiento del grano. Bajo el campo térmico uniforme de un láser de superficie plana-, los ejes largos de los granos tienden a crecer a lo largo de la dirección de escaneo del láser, formando una estructura de grano direccional. Este crecimiento direccional mejora significativamente las propiedades mecánicas del material, particularmente la resistencia a la tracción y la resistencia a la fatiga. Por el contrario, el uso de láseres gaussianos muestra una fuerte aleatoriedad en el crecimiento del grano debido a la inestabilidad del baño fundido, lo que resulta en una distribución desigual del grano, lo que afecta aún más las propiedades mecánicas integrales del material.. 4. Optimización de las propiedades del material Mediante análisis de microestructura y pruebas mecánicas, se encontró que la aleación Inconel 718 procesada con láseres de superficie plana-exhibe excelentes propiedades en dureza, resistencia a la tracción y rendimiento ante la fatiga: Las pruebas de dureza muestran que las muestras procesadas con Los láseres de superficie plana-tienen mayor dureza, lo que indica una mejor densidad del material e integridad estructural. Los resultados de las pruebas de tracción muestran que las aleaciones tratadas con láser-superficie plana-tienen un mayor rendimiento y resistencia a la tracción, y el modo de fractura demuestra una distribución de tensión más uniforme, lo que evita la propagación de grietas. En las pruebas de fatiga, las muestras tratadas con-láser de superficie plana-tienen una vida útil más larga, lo que indica una mejor resistencia a la fatiga, lo que las hace adecuadas para aplicaciones de alto-rendimiento. 5. Influencia del comportamiento térmico y el proceso de enfriamiento Durante el enfriamiento, las muestras procesadas con láseres de superficie plana-exhiben un gradiente térmico relativamente uniforme y una velocidad de enfriamiento estable, evitando el estrés térmico y el estrés residual que pueden ocurrir con los láseres gaussianos convencionales. Los resultados experimentales muestran que un proceso de enfriamiento más uniforme promueve la distribución uniforme de las tensiones internas en el material, evitando la deformación y el agrietamiento causados por una tensión térmica excesiva.
6. Combinación de resultados experimentales y de simulación La alta coherencia entre los resultados experimentales y de simulación indica que el láser de superficie plana-tiene ventajas significativas para mejorar la estabilidad del baño de fusión, la orientación del crecimiento del grano y las propiedades del material. Los resultados de la simulación proporcionan una base teórica y verifican el control efectivo del comportamiento térmico del baño de fusión y el crecimiento del grano mediante el láser de superficie plana-. Los datos experimentales confirman aún más esta teoría, validando la mejora en las propiedades del material mediante pruebas de dureza, resistencia a la tracción y fatiga mediante el láser de superficie plana-. Discusión y conclusión En comparación con el láser gaussiano, el láser de superficie plana-proporciona ventajas significativas en la estabilidad del baño de fusión y la orientación del crecimiento del grano. Su distribución uniforme de energía mejora efectivamente la estabilidad del baño de fusión, reduce los cambios irregulares en la forma del baño de fusión y promueve el crecimiento direccional de grano en el material. Optimización de las propiedades del material: el láser de superficie plana-no solo mejora el comportamiento del baño de fusión, sino que también mejora significativamente las propiedades mecánicas de la aleación Inconel 718, mostrando ventajas notables en dureza, resistencia a la tracción y resistencia a la fatiga. Este estudio demuestra que la aplicación de láseres-de superficie plana en la fusión de lechos de polvo por láser no solo mejora la estabilidad del baño de fusión, sino que también proporciona una nueva vía técnica para la fabricación de materiales de alto-rendimiento, con amplias perspectivas de aplicación, particularmente en los campos aeroespacial, energético y otros. Esta investigación ofrece nuevas ideas para la fabricación aditiva de materiales de aleación de alto-rendimiento. En el futuro, los parámetros del proceso se podrán optimizar aún más y se podrán explorar más fuentes láser para su uso en materiales de aleación de alta-temperatura, promoviendo la aplicación generalizada de la tecnología de fabricación aditiva en la producción industrial.
