Влияние гранулометрического состава порошков из сплава AlSi10Mg на закономерности процесса селективного лазерного плавления тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Добрянский Василий Николаевич
Добрянский Василий Николаевич
кандидат наук
2024
- Специальность ВАК РФ00.00.00
- Количество страниц 165
Оглавление диссертации кандидат наук Добрянский Василий Николаевич
Введение
1 Литературный обзор по тематике исследований
1.1 Принципиальная схема процесса селективного лазерного плавления
1.2 Параметры процесса селективного лазерного плавления
1.3 Проблемы трехмерной печати изделий из металлов
1.4 Реализуемые в СЛП механизмы теплопередачи
1.5 Моделирование процессов селективного лазерного плавления
1.6 Проблема идентификации параметров материалов
1.7 Исследование процессов СЛП на основе анализа спекания единичных треков
2 Экспериментальные исследования металлопорошковых композиций различного гранулометрического состава
2.1 Морфология и гранулометрический состав исследуемых порошков сплава AlSi10Mg
2.2 Химический состав исследуемых порошков сплава AlSi10Mg
2.3 Теплофизические свойства исследуемых порошков сплава AlSi10Mg
2.4 Выводы по главе
3 Результаты и анализ данных, полученных при сплавлении единичных треков
3.1 Методика проведения эксперимента
3.2 Анализ начала образования единичных треков
3.3 Экспериментальные исследования СЛП порошков различного гранулометрического состава
3.4 Выводы по главе
4 Валидация моделей тепловых источников
4.1 Модели тепловых источников
4.1.1 Классическое решение Розенталя
4.1.2 Решение Розенталя в безразмерном виде
4.1.3 Распределенный тепловой источник
4.2 Идентификация теплофизических свойств порошкового слоя
4.3 Верификация аналитических решений для подвижных источников
4.4 Сопоставление моделирования и экспериментальных данных, учёт влияния среднего размера частиц
4.5 Выводы по главе
Заключение
Перечень сокращений и обозначений
Список литературы
ПРИЛОЖЕНИЕ А
ПРИЛОЖЕНИЕ Б
ПРИЛОЖЕНИЕ В
ПРИЛОЖЕНИЕ Г
4
Введение
Устойчивое производство подразумевает создание высококачественной продукции при одновременном повышении производительности и сокращении энергетических и сырьевых потерь [1]. Технологии порошковой металлургии (ПМ) являются единственными производственными технологиями, которые могут использовать более 90% исходного сырья [1]. Аддитивное производство из порошковых материалов - одна из самых быстрорастущих технологий порошковой металлургии в настоящее время [2]. Этому способствует высокий коэффициент использования материала, возможность создания полностью функциональных ответственных изделий с уникальной и технологически сложной, а иногда и невоспроизводимой для традиционных технологий геометрией, и повышенной массовой эффективностью [3-7].
Селективное лазерное плавление (СЛП) - это технология аддитивного производства, которая основана на послойном сплавлении порошкового материала по заданной цифровой модели. Подбор технологических параметров печати для получения изделий с оптимальными физико-механическими свойствами и минимальным уровнем остаточных напряжений является трудоемкой задачей, особенно при учёте вариативности и нестабильности свойств порошков, применяемых в аддитивном производстве. Под каждый новый порошок требуется проводить отдельные исследования, направленные на подбор оптимальных параметров его сплавления.
Практический интерес также представляет изготовление тонкостенных деталей, а учитывая послойность нанесения материала в технологии СЛП, возможность изготовления таких деталей напрямую зависит от размера частиц порошка. Минимально достижимый размер детали, как правило, определяется диаметром лазерного луча и толщиной слоя порошка. Размеры лазерного пятна менее 40 мкм не часто встречаются в установках СЛП [8], а уменьшение толщины слоя порошка не ограничено, так как зависит от размера частиц порошка [9-10]. Например, для порошков сплава А1 с частицами в диапазоне 15-50 мкм невозможно получить толщину слоя порошка менее 30 мкм [8]. Тем не менее, доступны
малоразмерные частицы порошка в диапазоне 1-20 мкм и даже субмикронные порошки, которые еще больше уменьшают теоретическую толщину слоя порошка и могут обеспечить возможность печати тонкостенных элементов. Также наличие мелких частиц порошка улучшает кинетику консолидации из-за меньшего количества тепла, необходимого для расплавления частиц порошка [11]. Кроме того, уменьшение размера частиц порошка приводит к увеличению удельной поверхности по отношению к объему, что, в свою очередь, повышает поглощательную способность порошкового слоя [11-12]. Из-за высокой отражательной способности сплавов на основе Al ее повышение имеет высокое практическое значение [13]. Средний размер частиц порошка может оказывать существенное влияние на качество получаемой поверхности изделия. Меньший размер частиц может улучшить качество поверхности за счет более равномерного распределения порошка [14-17]. Поэтому исследование параметров сплавления порошков различного гранулометрического состава является актуальной задачей.
При моделировании процессов лазерной обработки материалов широко используются аналитические и численные модели точечных и распределенных подвижных тепловых источников [18-21]. На сегодняшний день модели подвижных источников являются основой для проведения тепловых и термомеханических расчётов процессов селективного лазерного плавления. По результатам таких расчётов определяются тепловые поля в сплавляемом изделии, остаточные напряжения и деформации, даются прогнозы фазового состава, исследуется возможность возникновения дефектов, в том числе трещин, пористости, определяются параметры шероховатости поверхности и явления переплавления [22-24]. В настоящей работе предлагается в том числе методика идентификации свойств порошкового слоя на основе этих моделей.
Для широкого промышленного внедрения аддитивного производства важно, чтобы изготовленные изделия обеспечивали требуемые свойства, оставаясь при этом конкурентоспособными по стоимости производства. Поэтому необходимо улучшить фундаментальное понимание процессов обработки металлов в
аддитивном производстве путем тщательного изучения различных химических и физических явлений на всех уровнях процесса СЛП.
В ходе выполнения исследований процессов СЛП и применяемых в СЛП материалов в рамках реализации этапов государственного задания 2020-2023 гг. (FSFF-2023-0004) была выявлена и обоснована необходимость минимизации трудоёмкости процесса подбора оптимальных технологических параметров обработки металлопорошковых композиций по технологии СЛП, что напрямую связано с идентификацией свойств порошков и выявлением зависимости этих свойств от их гранулометрического состава, а также разработкой математических моделей прогнозирования оптимальных параметров сплавления с учётом влияния свойств порошковых материалов. Решению этих задач в том числе посвящена данная работа.
Цель диссертационной работы заключается в изучении влияния гранулометрического состава порошка на его химический состав и параметры плавления, повышении достоверности оценок эффективных теплофизических свойств порошкового слоя на уровне исследования единичных треков на примере порошка сплава AlSi10Mg для повышения качества изделий, производимых с применением технологии селективного лазерного плавления.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Провести рассев стандартного порошка сплава А^й 0Mg на различные фракции и исследовать их гранулометрический и химический составы.
2. Провести анализ влияния гранулометрического состава порошков сплава AlSi10Mg и технологических параметров плавления на морфологию ванны расплава и структуру единичных треков, получаемых в результате селективного лазерного плавления.
3. Провести анализ существующих моделей подвижных тепловых источников с целью описания тепловых процессов, реализующихся в процессе СЛП единичных треков порошка AlSi10Mg. Провести безразмерный анализ результатов сплавления единичных треков с учетом основных критериев, входящих в рассматриваемые модели тепломассопереноса.
4. Разработать методику идентификации свойств порошкового слоя сплава AlSi10Mg (эффективных коэффициентов теплопроводности и поглощения) по результатам сплавления единичных треков с применением рассматриваемых аналитических моделей.
5. Определить основные зависимости морфологии ванны расплава и структуры единичных треков, получаемых в результате селективного лазерного плавления, от режимов сплавления, размеров частиц порошка и безразмерных критериев применяемых аналитических моделей.
Научная новизна:
1. Показано, что для порошка AlSi10Mg при проведении рассева получаемые фракции обладают различным химическим составом. Установлено, что с увеличением размеров частиц содержание кремния в порошке возрастает с 11.5 вес.%. для порошка со средним размером частиц 20.2 мкм до 13.1 вес.% для порошка со средним размером частиц 73.4 мкм по данным энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии свободно насыпанных образцов порошка.
2. Предложена новая методика оценки эффективного коэффициента теплопроводности порошкового слоя сплава AlSi10Mg по результатам сплавления единичных треков и применения стандартных расчетных моделей для подвижных тепловых источников. Показано, что широко применяемые оценки для средней теплопроводности порошков в диапазоне рабочих температур процессов селективного лазерного плавления не позволяют достоверно описать имеющиеся экспериментальные данные. В частности, оценки по моделям последовательных (Я/100) и параллельных (Я/2) теплопроводящих фаз, соответственно, занижают и завышают значение среднего коэффициента теплопроводности, который для рассматриваемого порошка AlSi10Mg составил Я/4... Я/5 (Я - теплопроводность сплава).
3. Предложена новая методика оценки эффективного коэффициента поглощения порошкового слоя по результатам сплавления единичных треков и применения стандартных расчетных моделей для подвижных тепловых источников на примере порошков сплава AlSi10Mg. Показано, что коэффициент поглощения
существенно зависит от размера частиц порошкового слоя и составляет для порошка сплава AlSi10Mg со средним размером частиц 20.2 мкм 0.45, а для порошка со средним размером частиц 73.4 мкм
4. Установлены закономерности влияния гранулометрического состава металлопорошковой композиции на морфологию ванны расплава и дефектность структуры единичных треков. Показано существенное влияние размера частиц порошка на величину энерговклада, необходимого для получения полностью сплавленного непрерывного единичного трека, при этом порошки с более крупным средним размером частиц требуют большего энерговклада. Установлено, что в режимах большого энерговклада (более 700 Дж/м) влияние размера частиц на морфологию ванны расплава нивелируется.
Теоретическая и практическая значимость:
1. Разработана методика оценки эффективных коэффициентов теплопроводности и поглощения порошкового слоя сплава AlSi10Mg в диапазоне температур процесса СЛП по результатам плавления единичных треков и применения стандартных расчетных моделей для подвижных тепловых источников.
2. Определены безразмерные критерии аналитических моделей для прогноза морфологии ванны расплава и дефектности структуры единичных треков, получаемых в результате селективного лазерного плавления.
3. Разработана методика для прогноза морфологии ванны расплава и дефектности структуры единичных треков, получаемых в результате селективного лазерного плавления, без проведения экспериментальных исследований.
4. Разработана методика учёта гранулометрического состава при подборе оптимальных параметров для процесса СЛП.
Область исследования соответствует п.п. 2, 6 и 8 паспорта специальности 2.6.17. «Материаловедение» (технические науки).
Объектом исследования единичные треки, полученные по технологии селективного лазерного плавления порошков из сплава AlSi10Mg различного гранулометрического состава.
Предметами исследования являются порошки сплава AlSilOMg различного гранулометрического состава, их химический состав; морфология, микроснимки и рентгенограммы; теплофизические свойства порошкового слоя и методы их измерения; технологические параметры процесса селективного лазерного плавления металлопорошковых композиций и влияние гранулометрического состава порошков на них; энерговклад при сплавлении единичных треков; модели подвижных тепловых источников.
Методология и методы исследования
Методологической основой исследования послужили работы ведущих российских и зарубежных ученых, государственные стандарты РФ.
При выполнении работы были использованы современные методы исследования: лазерная дифракция, порошковая рентгеновская дифракция, энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия, растровая электронная микроскопия, конфокальная лазерная сканирующая микроскопия, обработка цифровых изображений с помощью нейросетевых технологий, дифференциальная сканирующая калориметрия с термогравиметрией, аналитическое и численное моделирование.
Обоснованность и достоверность разработанных методик, полученных результатов и сформулированных выводов обеспечивается надежностью применяемых методов анализа и подтверждается сравнением с результатами из литературных источников.
Все результаты получены на поверенном оборудовании с использованием лицензионного программного обеспечения. Стандартные испытания и исследования проводились в соответствии с требованиями научно-технической документации, действующей на территории Российской Федерации (ГОСТ и ISO).
Апробация результатов работы и публикации
Основные положения и результаты работы доложены на 6 научно-технических конференциях и семинарах, в том числе: 1) 51 школа-конференция «Актуальные проблемы механики», Великий Новгород, 2024; 2) XIII всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике, Санкт-Петербург,
21-25 августа 2023 года; 3) XLIX Международная молодежная научная конференция «Гагаринские чтения-2023», Москва, 2023; 4) 12-й Всероссийской научной конференции с международным участием им. И.Ф. Образцова и Ю.Г. Яновского, Москва, 2022; 5) XXVIII Международный симпозиума «динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» имени А.Г. Горшкова, Москва, 2022. 6) XIV Всероссийская научно-техническая студенческая школа-семинар. Симферополь,
По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, из них 5 - в журналах, индексируемых в международной системе цитирования Scopus. Имеется 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Положения, выносимые на защиту:
1. Результаты исследования химического состава порошков сплава AlSi10Mg различного гранулометрического состава. Установленное повышение содержания кремния в фракциях порошка AlSi10Mg с большим средним размером частиц (11.5 вес.%. для порошка со средним размером частиц 20.2 мкм и 13.1 вес.% для порошка со средним размером частиц 73.4 мкм).
2. Результаты исследования влияния размера частиц порошка на величину энерговклада, необходимого для получения полностью сплавленного непрерывного единичного трека. Установленное повышение необходимого энерговклада для порошков с более крупным средним размером частиц. Отсутствие влияния размера частиц порошкового слоя на морфологию ванны расплава для режимов с энерговкладом более 700 Дж/м.
3. Методика оценки эффективных коэффициентов теплопроводности и поглощения порошкового слоя сплава AlSi10Mg по результатам сплавления единичных треков и применения стандартных расчетных моделей для подвижных тепловых источников.
4. Результаты оценки эффективного коэффициента теплопроводности порошкового слоя для порошков различного гранулометрического состава.
5. Результаты оценки эффективного коэффициента поглощения порошкового слоя. Установленное снижение коэффициента поглощения для
фракций порошка AlSi10Mg с большим средним размером частиц (0.45 для порошка со средним размером частиц 20.2 мкм и 0.15 для порошка со средним размером частиц 73.4 мкм).
6. Безразмерные критерии аналитических моделей для предиктивной оценки морфологии ванны расплава и структуры единичных треков, получаемых в результате селективного лазерного плавления.
7. Методика для предиктивной оценки морфологии ванны расплава и структуры единичных треков, получаемых в результате селективного лазерного плавления, без проведения экспериментальных исследований.
8. Оптимальные параметры плавления для процесса СЛП, полученные для отечественной установки AddSol D50 и металлопорошковых композиций сплава AlSi10Mg различного гранулометрического состава.
9. Методика учёта гранулометрического состава при подборе оптимальных параметров сплавления для процесса СЛП.
Рекомендованный список диссертаций по специальности «Другие cпециальности», 00.00.00 шифр ВАК
Разработка технологии выращивания изделий из молибденового сплава методом селективного лазерного плавления2023 год, кандидат наук Денежкин Антон Олегович
Влияние параметров селективной лазерной плавки на структуру и физико-механические свойства изделий из металлопорошковой композиции AlSi10Mg2024 год, кандидат наук Брыкин Вениамин Андреевич
Моделирование теплофизических процессов в порошках металлов при селективном лазерном плавлении2020 год, кандидат наук Гордеев Георгий Андреевич
Структура и свойства жаропрочного никелевого сплава, полученного методом селективного лазерного плавления2018 год, кандидат наук Хомутов, Максим Геннадьевич
Разработка процессов изготовления износостойких композиционных материалов системы WC-Co методом селективного лазерного плавления2018 год, кандидат наук Хмыров Роман Сергеевич
Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние гранулометрического состава порошков из сплава AlSi10Mg на закономерности процесса селективного лазерного плавления»
Структура работы
Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 128 наименований и 4 приложений. Материал диссертации изложен на 165 страницах машинописного текста, содержит 72 рисунка, 23 таблицы.
Во введении сформулированы цель и задачи работы, обоснована актуальность диссертационного исследования, научная новизна, достоверность и обоснованность результатов, а также теоретическая и практическая значимость работы. Кратко охарактеризованы методы теоретических и экспериментальных исследований.
В первой главе приведен обзор работ по тематике исследования. Вводится понятие селективного лазерного плавления, характеризуются и классифицируются параметры процесса селективного лазерного плавления, их влияние на качество получаемых изделий. Обсуждаются проблемы, возникающие в процессе печати из изделий из металлов и пути их решения. Приводятся подходы и методы моделирования процессов СЛП. Описываются методы идентификации свойств материалов, применяемых в технологиях СЛП. Подробно обсуждаются подходы
исследования процессов СЛП, в том числе на основе анализа сплавления единичных треков. Обсуждаются принципы построения карт технологического процесса.
Вторая глава посвящена описанию процесса подготовки металлопорошковых композиций, методов экспериментальных исследований, а также применяемого оборудования. Приведены результаты исследований гранулометрии, химического состава и теплофизических свойств металлопорошковых композиций различного гранулометрического состава. Выведены закономерности влияния среднего размера частиц на химический состав.
В третьей главе приводится описание методики проведения экспериментальных исследований по сплавлению единичных треков, применяемого оборудования. Обсуждаются результаты анализа начала образования единичных треков, полученных на порошках различного гранулометрического состава, оценивается величина энерговклада, необходимая для получения полностью сплавленного непрерывного единичного трека для различных порошков. Приводятся результаты обработки поперечных шлифов полученных единичных треков, карты процесса СЛП, карты появления дефектов структуры поперечных шлифов, даются закономерности влияния энерговклада на морфологию ванны расплава единичного трека.
В четвертой главе проводится валидация моделей подвижных тепловых источников на основании полученных экспериментальных данных. Вводится понятие точечного и распределенного теплового источника. Проводится безразмерный анализ полученных экспериментальных данных по сплавлению единичных треков для порошков различного гранулометрического состава.
В заключении кратко изложены основные результаты диссертационного исследования и выводы по работе, а также сформулированы перспективы дальнейших исследований.
1 Литературный обзор по тематике исследований
В данной главе приведен обзор работ по тематике исследования. Вводится понятие селективного лазерного плавления, описывается принципиальная схема процесса. Приводятся параметры процесса СЛП, имеющие существенное влияние на качество получаемых в результате изделий. Характеризуются режимы теплопередачи, реализуемые в процессе СЛП при разных параметрах процесса. Приводятся данные по свойствам применяемых в исследовании материалам и методикам их теоретической оценки. Подробно рассказывается про экспериментальные исследования на уровне сплавления единичных треков, которые стали основополагающими в данной работе.
1.1 Принципиальная схема процесса селективного лазерного плавления
Аддитивные технологии объединены принципом формирования квазиготовых изделий путем последовательного добавления материала. В технологии селективного лазерного плавления в качестве сырьевого материала используется металлопорошковая композиция. Обычно для СЛП применяются порошки с размером частиц в диапазоне 15-45 мкм или 20-60 мкм.
Трехмерная деталь, подлежащая изготовлению, сначала в специальном препроцессоре нарезается на тонкие слои (равными толщине слоя). Порошок наносится специальным устройством (нож/рекотер/ракель) тонким слоем на платформу построения (рабочая платформа/подложка), нормальный к поверхности лазерный луч, направляемый системой зеркал, перемещаясь вдоль поверхности порошка, сплавляет частицы порошка [25]. Принципиальные схемы установки СЛП и процесса СЛП приведена на рисунке 1.
В результате плавления выбранной области слоя порошка образуется ванна расплава, которая быстро охлаждается и консолидируется в конвективной среде, обычно в среде инертного газа (например, аргона). В итоге получается узкая дорожка металла шириной порядка диаметра пятна фокусировки. Совокупность единичных дорожек, нанесенных с определенным интервалом и по определенной стратегии, формирует слой. Затем платформа построения опускается на величину
толщины слоя (30-60 мкм), наносится следующий слой порошка, и над предыдущими дорожками выстраиваются новые. Управляя перемещением луча согласно заранее прописанному управляющему файлу, можно создавать из металла изделия любой сложной формы. Процесс СЛП заканчивается этапом постобработки, на котором удаляется лишний несплавленный порошок, изделие отделяется от платформы построения, может также проводится дополнительная термическая обработка.
Система зеркал
{
Лазерное излучение
Система подачи• порошка
Лазерный луч
Лазер
Диаметр лазерного пятна
Ракель Поршень
а
. V/ :
—----- ж I
-Деталь
Рабочая
Толщина
порошкового слоя
Несплавленный порошок
б
Шаг штриховки Ширина ванны расплава
Рисунок 1 - Принципиальная схема установки СЛП [26] (а), процесс сплавления слоя [27] (б)
В процессе СЛП механизм теплопередачи включает в себя тепловое излучение лазерного луча в слой порошка, теплопроводность между частицами порошка и тепловую конвекцию между слоем порошка и окружающей атмосферой. Три взаимосвязанных механизма теплопередачи делают тепловое поведение в процессе СЛП очень сложным. Физические, химические и металлургические явления при взаимодействии движущегося источника тепла и слоя порошка влияют на теплопередачу и эволюцию расплава в процессе СЛП. Схематично протекающие явления изображены на рисунке 2.
Применение инертной среды снижает содержание кислорода внутри рабочей камеры до требуемого уровня. Это помогает нивелировать процесс образования оксидных пленок на поверхности расплава. Однако взаимодействие лазера с порошком происходит настолько быстро, что порошковые материалы за очень короткое время переходят из твердого состояния в жидкое (и так многократно в
процессе выращивания изделия), что приводит к большому градиенту температуры и термическому напряжению, а также может вызвать трещины в готовых изделиях.
Рисунок 2 - Схематическое представление лазерного сплавления порошкового слоя [28]
1.2 Параметры процесса селективного лазерного плавления
Принципиальная схема процесса селективного лазерного плавления сравнительно несложная, однако физика, определяющая его результаты, более сложная и подвержена влиянию многих факторов. Исследование параметров, оказывающих наибольшее воздействие на результаты процесса СЛП, является критически важным для улучшения качества производимых изделий. Всего определяется порядка 130 факторов, влияющих на процесс СЛП [29-32]. Условно их можно разделить на 4 большие категории: 1) зависящие от применяемых материалов (морфология и гранулометрический и химический составы, тепловые, оптические и металлургические свойства и др.); 2) зависящие от параметров установки (лазер и оптика, система подачи и выравнивания порошка, атмосфера, материал платформы построения и др.); 3) зависящие от технологических процессов (качество модели, параметры лазерного пятна, порошковый слой, стратегия сплавления, направление выращивания, ориентация модели, температура платформы построения и др.); 4) зависящие от параметров постобработки (демонтаж, термообработка и др.)
Исследованиям влияния основных технологических параметров: мощности лазерного источника (P, Вт), скорости сканирования (V, мм/с), расстояния между соседними треками (h, мм), толщины слоя (tn., мм) посвящено большое количество работ [33-35]
Вышеуказанные характеристики в комбинации дают важный и часто используемый параметр - объёмную плотность энергии или объёмный энерговклад [Дж/мм3] (англ. volumetric energy density) определяется, как количество энергии, передаваемое лазером на единицу объема порошка [36], который выражается, как:
Р
Ev(VED) =
У -h-tn.
В работах [37-42] обсуждается влияние Ev на относительную плотность готовых изделий. Корректно подобранные значения объёмного энерговклада дают хорошие значения по сплошности получаемых образцов, повышенные значения энерговклада приводят к образованию в образцах газовых поры и глубокого проплавления («замочная скважина», англ. keyhole) [43-46].
Часто используется еще одна характеристика, которая учитывает только изменение скорости и мощности процесса [44, 47-49]. Их соотношение определяется как линейная плотность энергии - линейный энерговклад [Дж/мм] (англ. linear energy density) [50], который можно рассчитать следующим образом:
Р
El(LED)=- .
Мощность лазера, скорость и диаметр лазерного пучка влияют на длину, ширину и глубину ванны расплава, а также на течение расплавленного материала, его испарение и многие другие процессы. Определение оптимальных параметров процесса направлено на создание стабильной морфологии ванны расплава от слоя к слою. С точки зрения диапазонов величин основных параметров в СЛП обычно применяются диаметры пучка 50-100 мкм, мощности лазера 50-400 Вт и скорости лазерного пучка 200-2500 мм/с.
Важно учитывать и другие параметры процесса и свойства материалов, в том числе толщину порошкового слоя, его химический и гранулометрический составы.
Их варьирование существенно влияет на качество получаемых изделий, а также на сами технологические параметры процесса СЛП.
Меньшее влияние оказывают другие параметры: количество циклов металлопорошковой композиции [51-53], свойства лазера (длина волны, режим работы, форма и качество луча) [54, 55], среда в камере построения [56-58]. В данной работе эти параметры рассматриваются как второстепенные, и их прямое влияние не будет рассматриваться ни для прогнозирования процесса, ни для экспериментальной аналитики.
В настоящей работе основное внимание будет уделено влиянию гранулометрического и химического составов на сплавление единичных треков, в том числе на параметры процесса: качество получаемых треков, морфологию и дефектность структуры ванны расплава.
1.3 Проблемы трехмерной печати изделий из металлов
Трудности обеспечения качества изделий, получаемых с применением технологии СЛП, связанные со сложностью протекающих в синтезируемом теле механических (появление остаточных напряжений из-за градиентов температуры во время процесса), теплофизических (фазовые изменения, связанные с плавлением и кристаллизацией порошка), металлургических процессов (диффузия) и гидродинамических (конвекция в бассейне расплава) явлений, являются ключевыми для масштабного внедрения этой технологии в производственные процессы. Для таких изделий характерны пористость, наличие трещин, анизотропия свойств, низкое качество поверхности (высокие значения шероховатости), наличие усадок, а также развитие остаточных напряжений, которые приводят к появлению поводок (отклонению геометрии изделия от электронной модели, способному привести к получению бракованного изделия, или даже остановке процесса печати, а в ряде случаев и к порче оборудования).
К их появлению и развитию зачастую приводят высокие температуры и градиенты напряжений в локальном расплавленном объёме материала [59-61], а также цикличность процессов нагрев-охлаждение при синтезе изделий [62]. В зависимости от технологических параметров печати (мощности лазерного
излучения, скорости сканирования, толщины сплавляемого слоя порошка и др.) в некоторой фиксированной точке материал может подвергаться циклу «расплавление-кристаллизация» 2-3 раза в процессе послойного синтеза [62, 63], что также сопровождается фазовыми превращениями [64-67] и может порождать слоистую микроструктуру (англ. lamination effect) с различными свойствами слоёв [68, 69], а также приводить к образованию оксидов на поверхности расплава.
Микропористая структура является типичным дефектом для изделий, получаемых процессом СЛП. Для снижения объемного содержания пор проводится дополнительная термообработка получаемых изделий, а также горячее изостатическое прессование. Такая обработка позволяет в значительной степени снизить пористость и получить материал высокой плотности [70-73]. Но остаточная микропористость имеет место быть даже после постобработки, это связано с присутствием аргона, который остается в порах (он применяется для создания инертной среды) [73, 74]. Пространственное распределение, размер и форма пор зависят от параметров процесса (мощность, скорость сканирования и расстояние между штрихами), что означает, что размер пор можно регулировать путём изменения параметров процесса [44]
Высокое влияние на морфологию ванны расплава и распределение частиц сплава в ней, а также на величину остаточных напряжений в изделии имеет скорость охлаждения, которая в процессах селективного лазерного плавления составляет до 104 К/с. Быстрый процесс кристаллизации (остывания, затвердевания) может эффективно подавить сегрегацию материала и обеспечить равномерное распределение элементов сплава [65]. В работе [75] исследовались морфология и размер частиц эвтектического Si в сплавах AlSilOMg, образующихся при кристаллизации, где высокая скорость охлаждения при СЛП не только уточняет размер зерна, но и равномерно распределяет частицы Si, что приводит к повышению прочности [76-78].
Низкое качество поверхности получаемых изделий также является существенной проблемой, ограничивающей применение технологии СЛП. Здесь влияние оказывают технологические параметры сплавления (диаметр пятна,
скорость сканирования, мощность), ориентация изделий в камере построения, инертная среда, в которой происходит синтез [79]. Для некоторых областей применения даже небольшие дефекты поверхности имеют существенное влияние и должны быть сведены к минимуму [80-82].
Единичные треки, исследуемые в рамках данной работы, являются строительной единицей при изготовлении деталей методом СЛП. Поэтому прогнозирование и контроль морфологии ванны расплава единичного трека и дефектности ее структуры имеют большое значение. От параметров процесса зависят многие явления: отсутствие плавления (англ. lack-of-fusion) [83], разбрызгивание материала (англ. material spattering) [84, 85], нестабильное плавление в режиме глубокого проплавления [85, 86], эффекты денудации порошка (англ. powder denudation effect) [86, 87], образование трещин и пор [89-95] и др.
1.4 Реализуемые в СЛП механизмы теплопередачи
В зависимости от условий обработки лазерные процессы, в том числе СЛП, имеют в основном два различных рабочих режима: режим теплопроводности и режим глубокого проплавления. Когда плотность мощности ниже определенного порогового значения, теплопроводность является доминирующим механизмом теплопередачи, особенно для определения глубины создаваемых ванн расплава. Этот режим называется кондуктивным/проводимости (англ. conduction mode). Поперечные сечения ванны расплава (рис. 3, а), создаваемых в режиме проводимости, обычно полукруглые (т.е. глубина бассейна расплава примерно равна его полуширине). Испарением металлов при этом пренебрегают.
Рисунок 3 - Иллюстрация ванн расплава в режиме проводимости (а) и в режиме глубокого
проплавления (б).
Глубокое проплавление (рис. 3, б) наблюдается, когда плотность мощности превышает предельное значение, в результате чего в расплавленном металле образуется глубокая паровая полость из-за интенсивного локализованного нагрева и испарения. Глубина ванны расплава при этом зависит от давления, возникающего при испарении материалов в ванне расплава. Конвективный теплообмен (за счет потоков Марангони) является доминирующим видом теплообмена в расплаве, особенно для материалов с низкой теплопроводностью [96]. Высокие температурные градиенты при плавлении в этом режиме приводят к резким градиентам температуры и высокому поверхностному натяжению. Эти градиенты приводят к течению расплава из горячей точки под лазерным лучом в сторону холодной задней части, такие эффекты известны как конвективные эффекты Марангони [86]. Глубина ванны расплава при лазерной плавке в таком режиме обычно больше, чем её полуширина, определенная в верхней части ванны расплава. Некоторые исследователи выделяют еще один режим - переходный (начало режима глубокого проплавления). Но в настоящем исследовании такой режим в отдельный не выделяется.
1.5 Моделирование процессов селективного лазерного плавления
Моделирование процессов СЛП является важным и часто применяемым инструментом для понимания процессов, протекающих при плавлении порошков, оптимизации подбора технологических параметров и повышения качества конечных изделий.
Моделирование процессов, протекающих при СЛП, может производиться на нескольких уровнях. На процессном уровне происходит моделирование и оптимизация самого процесса СЛП: отыскание закономерностей влияния скорости лазерного источника, его мощности, толщины слоя, ориентации изделия, защитной атмосферы и других технологических параметров на качество получаемых изделий [29, 97].
Следующий уровень - термодинамическое моделирование, анализ напряжений и деформаций. На этом уровне моделируются распределения температур и остаточных напряжений, поводки в деталях. Целью такого
моделирования является подбор оптимальных параметров для минимизации остаточных напряжений и деформаций [98].
С помощью теплофизического моделирования оценивается тепловые процессы в зоне плавления. Такие модели применяются для изучения морфологии ванны расплава, оценки температурных напряжений и деформаций, оценки скорости охлаждения после плавления и определения его оптимальных параметров, моделирования эффектов многократного плавления, моделирования порообразования, трещин и др. дефектов структуры [4, 86, 99]. Тепловые модели основаны на решении уравнений теплопроводности с различными граничными условиями. Ключевыми параметрами таких моделей становятся мощность лазера, скорость сканирования, размер лазерного пятна и теплофизические свойства порошка. Именно на этом уровне моделей построено настоящее исследование.
Для изучения формирования и эволюции микроструктуры материала, получаемого в процессе СЛП, применяется микроструктурное моделирование. С помощью моделей взаимодействия лазерного излучения с порошковым слоем даются оценки поглощения излучения порошковым слоем, его рассеяния и переотражения внутри слоя.
Для моделирования дефектов могут использоваться как тепловые, так и гидродинамические модели. Основное внимание уделяется тому, как тепловые градиенты и неравномерное плавление влияют на образование пор и микротрещин в материале.
Моделирование протекающих процессов на всех уровнях представляет большой практический интерес. При этом одной из основных задач является выявление зависимостей между технологическими параметрами процесса СЛП, свойствами сырья, свойствами получаемых материалов на микроуровне и механическими свойствами изделия на макроуровне. Целью такого моделирования является получение набора оптимальных параметров процесса, обеспечивающих требуемые характеристики готового изделия, минимизацию поводок, а также обеспечивающих требуемое качество поверхности, путём прогноза
микроструктуры получаемого материала и оценки напряженно-деформированного состояния изделия в процессе его синтеза и после его завершения.
1.6 Проблема идентификации параметров материалов
Идентификация свойств порошковых материалов, используемых в процессе СЛП, представляет собой значительную проблему, которая связана с рядом факторов, усложняющих моделирование процесса, контроля качества и подбора оптимальных параметров. Порошковые материалы, используемые в СЛП, могут иметь значительные отклонения в размерах частиц, форме, плотности и химическом составе, что затрудняет точное определение их свойств. Нестабильность характеристик приводит к непредсказуемым изменениям в процессе СЛП, включая дефекты в структуре изделия (например, пористость или неоднородное спекание) [17].
Текучесть порошков, которая влияет на равномерность нанесения слоев, может сильно изменяться в зависимости от таких факторов, как форма частиц, их размер и наличие агломератов. Это затрудняет предсказание поведения порошка в процессе нанесения слоёв в СЛП [100].
Еще одной известной проблемой является изменение свойств порошка при его повторном использовании. Порошки могут окисляться, адсорбировать влагу или изменять морфологию частиц из-за агломерации. Эти изменения могут существенно повлиять на теплофизические и механические свойства порошка [101].
Изменениям также подвержен и химический состав, который может быть неоднородным для порошков различного гранулометрического состава [8], так и изменяться в процессе его использования. Проблемой также может являться низкая сферичность частиц или нарушение распределения частиц, которые приводят к различиям в теплофизических свойствах порошкового слоя.
Изменение гранулометрического состава и морфологии порошков может также влиять на способность порошкового слоя поглощать энергию. Поглощательная способность материалов в процессе СЛП сильно зависит от параметров процесса: скорости сканирования, мощности, а также радиуса пятна
лазера, которые непосредственно влияют на реализующийся механизм теплопередачи. В процессе СЛП плавлению подвергается не только сам порошковый слой, но и уже сплавленные до этого слои. Общая поглощательная способность зависит как от поглощательной способности порошкового материала, так и уже сплавленного материала. В работе предлагается полуэмпирическая модель для оценки поглощательной способности порошкового слоя, а также оценивается влияние гранулометрического состава порошкового слоя на его поглощательную способность.
Существует множество теоретических моделей, оценивающих теплопроводность гетерогенных сред. В работе [102] пишут, что сравнение экспериментальных данных с моделью дискретных термических сопротивлений показывает, что эффективная теплопроводность порошковых слоев пропорциональна теплопроводности газа, заполняющего поры, а также зависит от доли твёрдого вещества и размера частиц. Для порошков с размером частиц порядка нескольких десятков микрон теплопроводность составляет порядка 10 теплопроводностей газа, т.е.:
4 = 104, (1)
Существует еще такая оценка [103]:
4 = 0.04, (2)
Еще одна простая оценка предлагается в [104, 105]:
4 = 4 (1 -ф), (3)
где 4 и 4 - теплопроводность порошкового слоя и твердого материала, а ф - пористость порошкового слоя.
Более сложная модель, учитывающая теплопроводности окружающего газа [107]:
Модель, учитывающая излучение между частицами [108]:
л
(1 ) и+
(5)
g
4
где Хг = — 7еТрDp - излучение между частицами, Я§ - теплопроводность
окружающего газа, 7е - постоянная Стефана-Больцмана, Тр - температура
частицы порошка, Dp - средний диаметр частиц порошка.
Корректное определение и учёт изменений теплофизических характеристиках порошка позволяет подбирать оптимальные параметры процесса СЛП. В настоящей работе оценивается влияние гранулометрического состава порошка на его химический состав и параметры плавления. Предлагается методика оценки эффективных теплофизических свойств порошкового слоя в диапазоне температур процесса СЛП.
1.7 Исследование процессов СЛП на основе анализа спекания единичных
Одной из ключевых методик анализа процессов СЛП является исследование спекания единичных треков, которое позволяет понять базовые механизмы взаимодействия лазерного излучения и порошковых материалов. Анализ единичных треков является первым шагом к оптимизации параметров и построению карт процесса СЛП. Исследованию единичных треков посвящено большое количество работ [2, 29, 86, 87, 100, 108-110].
Эксперимент по спеканию единичных треков заключается в нанесении одного лазерного трека на порошковый слой с последующим анализом полученной
треков
структуры. Методика следующая: 1) на поверхность специальной платформы наносят ровный слой порошкового материала, толщина которого обычно варьируется в пределах 20-80 мкм (зависит от гранулометрии порошка и целей исследования), 2) лазерный луч сканирует поверхность образца по заранее написанной управляющей программе, создавая трек шириной от нескольких десятков до сотен микрометров в зависимости от параметров процесса, 3) анализируется внешний вид трека, а также дополнительно изготавливаются поперечные шлифы полученных треков для исследования параметров ванны расплава.
Хотя анализ единичных треков даёт важную информацию о поведении материала в процессе СЛП, существует несколько ограничений: 1) не учитывается межслоевые взаимодействия и влияние многократного наложения слоев (для этого проводятся следующие этапы - исследование единичных слоев и кубиков), 2) для каждого порошка нужен отдельный эксперимент, нельзя масштабировать результаты, 3) сложность нанесения порошкового слоя необходимой и постоянной толщины.
Похожие диссертационные работы по специальности «Другие cпециальности», 00.00.00 шифр ВАК
Теплоперенос и формирование кристаллической микроструктуры в металлических порошках на основе Fe и Al при селективном лазерном плавлении2017 год, кандидат наук Анкудинов, Владимир Евгеньевич
Информационно-измерительная система для контроля геометрических параметров зоны селективного лазерного плавления на основе морфологической обработки термоизображений2017 год, кандидат наук Жирнов, Иван Владимирович
Разработка оборудования и технологии формирования изделий из медного порошка методом селективного лазерного плавления2018 год, кандидат наук Ибрагимов Егор Артурович
Методы, алгоритмы и системы управления процессами лазерного сплавления металлических порошковых смесей2021 год, кандидат наук Хтин Линн У
Разработка методики проектирования технологических процессов изготовления жаровых труб ГТД методом селективного лазерного сплавления2017 год, кандидат наук Сотов Антон Владимирович
Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Добрянский Василий Николаевич, 2024 год
- - УЯ
параметр (параметр процесса) [120]; % = —; Я =--безразмерные координаты
2а 2а
точки в подвижной системе координат.
4.1.3 Распределенный тепловой источник
Представленные выше модели не учитывают характера распределения теплового потока внутри пятна нагрева. Модель следующего приближения учитывает, что подводимая плотность потока тепла имеет осесимметричное гауссово распределение [22, 120] (3).
Q (У ) = +у (9)
2 ж
где это < - это диаметр лазерного пучка.
Тогда решение задачи для подвижного гауссова источника [120, 122]:
1 Л 1 д2 + у2 +2дт+т2 22
6 = п^= Г ^-^в 2т+2 Рв2 "2тСг, (10)
т _ \y_vz „
д = —; у = —; 2 =--безразмерные координаты точки в подвижной
2а 2а 2а
системе координат, т - безразмерное время, по которому ведется интегрирование
<
в выражении (10), Рв = — - это стандартное определение критерия Пекле для
2а
рассматриваемой проблемы.
Графики соответствующих решений, определяющих глубину и ширину проплавления (безразмерную) в зависимости от операционного параметра, для решения Розенталя для точечного источника и распределенного (для различных Рв) представлены на рисунке 50. Красной сплошной линией показана теоретическая оценка глубины и ширины для точечного источника, пунктиром, штрих-пунктиром и точками показаны теоретические оценки для распределённого источника при различных значениях Рв. Видно, что учёт распределения понижает теоретическую оценку для глубины проплавления и повышает для ширины. С увеличением операционного параметра увеличивается и расхождение между оценками для точечного и распределенного источников тепла.
0 1 2 3 4 5 6 7
3 Операционный параметр, п
0 1 2 3 4 5 6 7
5 Операционный параметр, п
Рисунок 50 - Зависимость глубины (а) и ширины (б) проплавления от операционного параметра. Решение Розенталя (безразмерная модель)
4.2 Идентификация теплофизических свойств порошкового слоя
По результатам сплавления единичных треков для каждого из порошков были зафиксированы значения мощности и скорости, при которых был получен первый сплавленный единичный трек при толщине слоя 60 мкм. Полученные результаты приведены в таблице 8. Видно, что полученные технологические параметры для каждого из порошков различны. При одинаковой процедуре проведения эксперимента и одинаковой толщине слоя это говорит о разных теплофизических свойствах порошкового слоя.
Для объяснения наблюдаемого эффекта было выдвинуты следующие гипотезы:
1) Порошки различного гранулометрического состава могут иметь различные коэффициенты поглощения из-за различной упаковки. Частицы, размеры которых меньше диаметра лазерного луча, могут способствовать многократному отражению лазерного излучения внутри порошкового слоя, что приводит к повышенному поглощению энергии и более равномерному спеканию
[17].
2) Разный химический состав. Было установлено, что с увеличением среднего размера частиц растет содержание кремния. А с увеличением содержания кремния может уменьшаться теплопроводность [123].
Для решения обратной задачи идентификации свойств порошкового слоя применялся метод оптимизации, функция цели которого определялась как среднеквадратичная ошибка между глубиной проплавления, полученной по модели распределенного по Гауссу источника в безразмерном виде, и действительной глубиной проплавления (безразмерной), которая в этом эксперименте равна толщине порошкового слоя. Задачей оптимизация была минимизация этой ошибки.
Формально, запись предлагаемой функции цели (err) в задаче оптимизации имеет следующий вид:
X „ N 1/2
{ ^ г ™ л ъ Y
err =
к
I
i=i
D G \п , Pe 1 - D
max Gn L г' ' J i
max E.
DmaxE
V maxEi у
(11)
V ' ' У
где Dmax вп [ п, Рв{ ] - значение для безразмерной глубины проплавления, рассчитанное по модели распределенного по Гауссу источника, п1 - операционный параметр для рассматриваемых параметров процесса, Рвг - число Пекле для
рассматриваемых параметров процесса, Дтах Е = уДтах Е - безразмерная
' 2а
экспериментальная глубина проплавления, k - количество точек начала проплавления (при различных комбинациях мощности и скорости), взятых для конкретного порошка.
Для проверки гипотезы о влиянии гранулометрии на коэффициент поглощения задача оптимизации решалась в следующей формулировке:
Минимум: err
При условии: 0.05 < amin < 0.95
Лэф.'Тпл.'Р' Ср>° = const
где «min» означает, что проводится минимизация целевой функции, при перечне условий, при которых ищется минимум целевой функции, amin -ограничение на значение минимальное значение коэффициента поглощения.
При решении этой задачи для порошкового слоя устанавливались следующие параметры (для близких значений расчет проводился только один раз) (табл. 9). Решение задачи строилось в системе компьютерной алгебры Wolfram Mathematica (Wolfram Research, США).
Таблица 9 - Свойства порошкового слоя, заложенные в модель оптимизации
Параметр Значение
Л-эф. По формуле (1): 0.164 Вт/(мК)
По формуле (2): 1.62
По формуле (3): 65.22
По формуле (4): 0.016
По формуле (5), среднее: 0.18
Т 1 пл. 576 °С
р 1595 кг/м3
с 890 Дж/(кгК)
а 80 мкм
Результат решения оптимизации для каждого из порошков приведён на рисунке 51. Видно, что принятое значение коэффициента теплопроводности существенно влияет на решение и величину ошибки. На графиках приведены решения при различных коэффициентах теплопроводности, полученным по различным оценкам, а также дополнительно значения 10, 20 и 30 Вт/(мК). Видно, что ни одна из теоретических оценок не дает минимум величины ошибки при оценке коэффициента поглощения. При значениях коэффициента теплопроводности в диапазоне 10-30 Вт/(мК) величина ошибки значительно ниже.
По результатам решения задачи оптимизации видно, что коэффициент поглощения существенно зависит от гранулометрического состава порошка. Это можно объяснить увеличением эффективной площади порошкового слоя, поглощающего лазерную энергию для порошков с меньшим средним размером частиц из-за более плотной упаковки порошкового слоя.
Рисунок 51 - Результаты решения задачи оптимизации для отыскания коэффициента поглощения порошкового слоя при различных значения коэффициента теплопроводности
Для более корректной оценки теплофизических свойств порошкового слоя применяемая модель оптимизации была расширена, в качестве варьируемого параметра также был введен коэффициент теплопроводности: Минимум: err
При условии: 0.05 < amin < 0.95; 5 < Лэф. < 40
Тпл., р, Ср, а = const
Результаты решения такой оптимизационной задачи для каждого из порошков приведены на рисунке 52. Для каждого размера порошка наблюдается лишь один минимум на всем диапазоне минимизации ошибки, что говорит о единственности найденного решения.
Рисунок 52 - Результаты решения задачи оптимизации для отыскания коэффициента поглощения и эффективной теплопроводности порошкового слоя
Сопоставление операционных параметров и безразмерных глубин проплавления, полученных при подстановке в модель найденных в результате решения задачи оптимизации теплофизических свойств порошкового слоя и экспериментальных данных (обезразмеренных с учётом найденных характеристик слоя), представлено на рисунке 53. Сплошной линией показано решение для точечного источника тепла, пунктиром показаны решения для распределенного по
Гауссу источника при различных числах Пекле (различных скоростях сканирования), точками, цвет которых соответствует цвету пунктирных линий, отмечены экспериментальные данные в безразмерном виде (с учётом найденных характеристик слоя).
О 20 40 60 80 100 0 20 40 60 ВО 100
Операционный параметр, п Операционный параметр, п
Рисунок 53 - Сопоставление экспериментальных данных и теоретических оценок безразмерной глубины проплавления: сплошная линия - точечный источник, пунктир - распределенный источник, точки, цвет которых соответствует цвету пунктирных линий, -экспериментальные
данные в безразмерном виде
Рисунок 54 - Полученные значения эффективных коэффициентов поглощения и
теплопроводности порошкового слоя
Экспериментальные точки соответствуют параметрам процесса, приведенным в таблице 8. Можно заметить, что для порошков с большим количеством пограничных точек (45, 50) для больших скоростей сканирования возрастает погрешность оценки глубины проплавления. Найденные в результате решения задачи оптимизации теплофизические свойства с разной степенью достоверности описывают протекающие процессы. Это может быть связано с зависимостью коэффициента поглощения от скорости сканирования. Найденные значения теплофизических свойств (рисунок 54) характеризуют процесс для всех диапазонов параметров процесса и температур, поэтому имеющимися погрешностями допустимо пренебречь.
Анализируя полученный результат, можно сделать вывод, что уменьшение среднего размера частиц приводит к увеличению поглощательной способности порошкового слоя и его эффективной теплопроводности. Мелкие частицы имеют большую удельную поверхность, что увеличивает площадь поверхности взаимодействия с лазерным излучением [102]. Также уменьшение размера частиц увеличивает вероятность многократного отражения и рассеивания лазерного излучения между частицами, что удлиняет путь луча в порошковом слое и увеличивает его поглощательную способность [86, 100]. Увеличению поглощательной способности и теплопроводности также способствует повышение
плотности упаковки порошкового слоя, что увеличивает количество точек контакта между частицами и уменьшает пористость слоя, тем самым улучшает теплопередачу внутри слоя [17, 124]. Повышение теплопроводности может быть также связано с увеличением силы капиллярного притяжения с уменьшением среднего размера частиц, что способствует лучшему контакту между частицами и более эффективной теплопередаче [102]. В ходе исследования химического состава порошка различного гранулометрического состава было установлено, что с увеличением размера частиц растет содержание кремния, что может приводить к уменьшению теплопроводности [123].
Оценки для теплофизических свойств порошкового слоя стандартного порошка лежат в диапазоне средних значений для порошков различного гранулометрического состава, что хорошо объясняется его полидисперсностью. Пустоты между крупными частицами заполняются более мелкими, что повышает плотность упаковки и повышает теплофизические свойства слоя. Удельная поверхность слоя, наоборот, уменьшается, как и вероятность многократного отражения лазерного излучения между частицами, что снижает способность поглощения лазерного излучения.
Разброс полученных данных может быть связан с множеством факторов. Экспериментальный характер методики требует проведения множества повторяющихся экспериментов, чтобы набралась необходимая статистика. Получаемые данные зависят от аккуратности проведения эксперимента: постоянства толщины слоя, правильной подготовки поверхности платформы, ее выравнивания. Погрешность может вносить также и расположение единичных треков на платформе относительно нормали лазерного луча к платформе. Существенным также является определение момента проплавления порошкового слоя при обработке экспериментальных результатов. Для уточнения получаемых оценок целесообразным будет уточнение диапазонов применяемых технологических параметров с целью уменьшения шага их варьирования при проведении эксперимента.
4.3 Верификация аналитических решений для подвижных источников
Для подтверждения корректности получаемых оценок для глубины и ширины ванны расплава была проведена верификация модели на хорошо изученном материале платформы построения (Д16Т) без нанесенного порошкового слоя. Методика эксперимента полностью соответствовала той, что применялась для испытаний с нанесённым порошком.
Также была проведена процедура подбора коэффициента поглощения материала платформы построения по предложенной ранее методике. Для проведения расчета были взяты параметры процесса, при которых по результатам обработки шлифов происходила преимущественно кондуктивная теплопередача, т.е. отношение глубины проплавления к ширине проплавления лежит в диапазоне 0.35...0.75 (табл. 10).
Таблица 10 - Набор параметров для оценки козе )фициента поглощения материала платформы
Скорость сканирования, V (мм/с) Мощность лазерного источника, Р (Вт) Глубина проплавления, мкм Линейная плотность энергии, Е1 (Дж/мм)
1275 256 54,43 200,8
1275 292 65,85 229,0
1510 220 57,13 145,7
1510 256 80,13 169,5
1510 292 95,24 193,4
При решении задачи были заложены свойства, приведенные в таблице 11.
Таблица 11 - Свойства материала подложки (Д16Т), заложенные в модель оптимизации [125, 126]_
Параметр Значение
Л 200 Вт/(м К) (среднее значение в температурном диапазоне до температуры плавления)
т 1 пл. 638 °С
р 2780 кг/м3
с 1000 Дж/(кгК) (среднее значение в температурном диапазоне до температуры плавления)
а 80 мкм
Задача оптимизации решалась в следующей формулировке:
Минимум: err
При условии: 0.05 < amin < 0.95
Л, Тал,р, Ср, а = const
В результате оптимизации найден коэффициент поглощения порядка 0.27. Для поверхности алюминиевых сплавов (с высокой отражательной способностью) коэффициент поглощения с шероховатостью поверхности порядка Ra = 1.8 мкм лежит в диапазоне 0.1-0.15. В процессе СЛП существенное влияние на коэффициент поглощения имеют параметры процесса: мощность и скорость сканирования, а также соответствующая им модель теплопроводности [127, 128]. Полученная оценка является средней для коэффициента поглощения в широком диапазоне применяемых мощностей и скоростей сканирования для расплава Д16Т, с чем может быть связано ее увеличение относительно известных данных. Сопоставление теоретических оценок для параметров ванны расплава и обезразмеренных (с подстановкой полученных оценок) экспериментальных данных для различных скоростей и мощностей сканирования представлена на рисунке 55. Красной сплошной линией отмечена теоретическая оценка для точечного источника тепла, пунктиром - для распределённого по Гауссу, точками отмечены экспериментальные данные. Можно видеть, что теоретические оценки, полученные с подстановкой найденного в результате решения задачи оптимизации коэффициента поглощения для материала платформы, хорошо коррелируют с экспериментальными данными. Использование модели распределенного подвижного источника позволяет уточнить оценку для глубины и ширины ванны расплава при некоторых наборах технологических параметров. Можно сделать вывод, что предлагаемый алгоритм оптимизации даёт корректную оценку для коэффициента поглощения.
4.4 Сопоставление моделирования и экспериментальных данных, учёт влияния среднего размера частиц
В рамках исследования были получены поперечные шлифы единичных треков, синтезированных при различных параметрах процесса СЛП в широком диапазоне мощностей и скоростей для порошков различного гранулометрического состава (см. рис. 34-39).
Анализ полученных поперечных шлифов показал, что характеристики порошкового слоя при сплавлении в режиме теплопроводности оказывают влияние на морфологию ванны расплава и дефектность ее структуры.
Обработка результатов сплавления единичных треков проводилась в безразмерном виде с применением моделей, изложенных ранее. Используемая модель не предполагает наличие порошкового слоя. Поэтому его влияние оценивалось через введение эффективного параметра Рп, характеризующего
энергию, затраченную на проплавление порошкового слоя.
В модель подвижного источника входит мощность лазерного источника Р, которая в случае наличия порошкового слоя может быть преобразована с помощью различных подходов.
Р = Р _ Р ,
Л п.'
где Рп - мощность, затраченная для проплавления порошкового слоя.
Первая гипотеза строится в предположении, что слой поглощает необходимое количество энергии для расплавления (с учетом коэффициента поглощения порошкового слоя, найденного ранее), но далее энергия продолжает поступать в платформу, но с учетом коэффициента поглощения самой подложки. В этом случае:
Р =а (р _ р )
Л платформыУ п.'
Рп= ЕпУ, Еп- энерговклад, требуемый для проплавления порошкового слоя.
Вторая гипотеза строится в предположении, что порошковый слой поглощает необходимое количество энергии для расплавления (с учетом коэффициента поглощения порошкового слоя, найденного ранее), а далее между платформой и
расплавленным порошком реализуется плотный контакт, и теплопередача идёт уже без потерь. В этом случае:
Я = Г - Г
Л п.
Гипотеза .№3 строится при таких же допущениях, что и .№1, но только вместо коэффициента поглощения подложки используется оценка для коэффициента поглощения расплава материала.
В этом случае:
Я =а (Г - Г)
Л расплава \ п. У
Гипотезы №№ 5-6 дублируют предыдущие рассуждения, но предлагается более корректная оценка для энергии, которую поглощает порошковый слой. Для этих гипотез вводится следующее предположение:
Гп. = српРп^к (тш- г0 ,
где Срп - теплоемкость порошкового слоя, рп - плотность порошкового слоя, w - ширина единичного трека, \ - толщина порошкового слоя.
Для стандартного порошка построены решения для каждой из гипотез. Сопоставление теоретических оценок и экспериментальных данных в безразмерном виде для морфологии ванны расплава для некоторых из наборов параметров представлено на рисунке 56. Для других наборов технологических параметров сопоставление представлено в Приложении Г.
Анализируя полученные оценки по различным гипотезам, можно сделать следующие выводы:
1. Гипотезы №№ 2 и 5, в которых предполагается плотный контакт и передача энергии без потерь между расплавом порошка и платформой построения, не подтвердились. Получаемые оценки для операционного параметра получаются завышенными.
2. Использование коэффициента поглощения излучения для платформы в твердом состоянии в рамках гипотезы №1 наоборот занижает оценку для операционного параметра.
3. Использование коэффициента поглощения излучения для платформы в твердом состоянии в рамках гипотезы .№4 даёт небольшое уточнение для скоростей сканирования более 1000 мм/с. Для других режимов получаемое уточнение носит несущественный характер.
4. Пересечение экспериментальной кривой, полученной для точечного источника, характеризует изменение режима теплопередачи (от кондуктивного к глубокому проплавлению). Точки, лежащие на кривой, соответствуют отношению глубины к ширине 1:2.
5. Наилучшая оценка влияния порошкового слоя на глубину и ширину проплавления получается в рамках гипотезы №6.
6. Гипотезы №№ 3 и 6 дают хорошее уточнение для ширины проплавления в режиме глубокого проплавления.
7. Для некоторых параметров сплавления гипотеза №3 выдает отрицательное значение операционного параметра. Это говорит о том, что в рамках этой гипотезы рассчитанный энерговклад, затраченный на сплавление порошкового слоя, превышает номинальное значение энерговклада.
8. Гипотезы №№ 3 и 6 являются соответственно оценками сверху и снизу для глубины и ширины проплавления для широкого диапазона параметров процесса.
Для дальнейшего учёта влияния порошкового слоя на морфологию ванны расплава будут использоваться оценки в рамках гипотез №№ 3 и 6.
Без учёта влияния порошка Гипотеза №1 Гипотеза №2
Гипотеза N53
Гипотеза №4
Гипотеза №5
Гипотеза №6
Точечный
Распределенный
Операционный параметр, п V = 805 мм/с
Операционный параметр, п V = 805 мм/с
Без учёта влияния порошка Гипотеза №1 Гипотеза №2
Гипотеза №3
Гипотеза №4
Гипотеза №5
Гипотеза №6
Точечный
Распределенный
Операционный параметр, п V = 1275 мм/с
Операционный параметр, п V = 1275 мм/с
Без учёта влияния порошка Гипотеза №1 Гипотеза N22
Гипотеза N83
Гипотеза №4
Гипотеза N25
Гипотеза N»6
Точечный
Распределенный
Операционный параметр, п V = 1510 мм/с
Операционный параметр, п V = 1510 мм/с
Без учёта влияния порошка Гипотеза №1 Гипотеза N=2
Гипотеза N03
Гипотеза №4
Гипотеза N55
Гипотеза №6
Точечный
Распределенный
Операционный параметр, п
Операционный параметр, п V = 1980 мм/с
Без учёта влияния порошка Гипотеза №1 Гипотеза N82
Гипотеза №3
Гипотеза N54
Гипотеза N35
Гипотеза N36
Точечный
Распределенный
Операционный параметр, п
Операционный параметр, п
Сопоставление теоретических оценок и экспериментальных данных в безразмерном виде для морфологии ванны расплава для некоторых наборов технологических параметров для порошков различного гранулометрического состава представлено на рисунках 57-61. Полный набор данных приведен в Приложении Г.
Без учёта влияния порошка Гипотеза N53 Гипотеза №6
Точечный
Распределенный
Операционный параметр, п
Операционный параметр, п
Без учёта влияния порошка Гипотеза N53 Гипотеза N36
Точечный
Распределенный
Операционный параметр, п
Операционный параметр, п
Без учёта влияния порошка Гипотеза №3 Гипотеза N26
Точечный
Распределенный
Операционный параметр, п
Операционный параметр, п
Без учёта влияния порошка Гипотеза №3 Гипотеза №6
Точечный
Распределенный
Операционный параметр, п
Операционный параметр, п
Без учёта влияния порошка Гипотеза №3 Гипотеза N56
Точечный
Распределенный
Операционный параметр, п
Операционный параметр, п
4.5 Выводы по главе
Модели подвижных точечных и распределенных тепловых источников показали хорошую корреляцию с экспериментальными данными при анализе ширины и глубины ванны расплава при сплавлении единичных треков методами СЛП в широком диапазоне технологических параметров. Модели дают достоверную оценку ширины и глубины ванны расплава для технологических параметров, реализующих режим кондуктивной теплопередачи. Описание глубины ванны расплава в режиме глубокого проплавления возможно с большой ошибкой, при этом для ширины ванны расплава корректность оценки сохраняется, что позволяет использовать модель для прогнозирования ширины трека и определения, например, шага штриховки.
Исследуемые модели применимы также для решения обратной задачи идентификации свойств порошкового слоя. Построенный на их основе полуэмпирический метод оптимизации позволил оценить теплофизические свойства порошкового слоя по результатам анализа проплавления порошкового слоя толщиной 60 мкм. Такой метод может быть масштабирован на порошки различных сплавов. Получаемые характеристики порошкового слоя являются средними для всего температурного диапазона процесса СЛП и при дальнейшей подстановке в модели подвижных источников позволяют получить достоверные оценки глубины и ширины проплавления.
Учёт влияния порошкового слоя на морфологию ванны расплава может быть осуществлён путём вычитания энерговклада, требуемого для его проплавления из номинального энерговклада. При этом необходимо оставшуюся часть энергии подставлять в модель с учётом коэффициента поглощения расплава материала. Введённые гипотезы учёта влияния порошкового слоя дают оценку снизу и сверху для параметров ванны расплава.
107
Заключение
В ходе проведения исследований показано, что для порошка AlSi10Mg при проведении рассева получаемые фракции обладают различным химическим составом. Установлено, что с увеличением размеров частиц содержание кремния в порошке возрастает с 11.5 вес.%. для порошка со средним размером частиц 20.2 мкм до 13.1 вес.% для порошка со средним размером частиц 73.4 мкм по данным энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии свободно насыпанных образцов порошка.
Установлены закономерности влияния гранулометрического состава металлопорошковой композиции на морфологию ванны расплава и дефектность структуры единичных треков. Показано существенное влияние размера частиц порошка на величину энерговклада, необходимого для получения полностью сплавленного непрерывного единичного трека, при этом порошки с более крупным средним размером частиц требуют большего энерговклада. Установлено, что в режимах большого энерговклада (более 700 Дж/м) влияние размера частиц на морфологию ванны расплава нивелируется.
Разработана и верифицирована методика оценки средних эффективных коэффициентов теплопроводности и поглощения порошкового слоя сплава AlSi10Mg в диапазоне температур процесса СЛП по результатам сплавления единичных треков и применения стандартных расчетных моделей для подвижных тепловых источников. Показано, что широко применяемые оценки для средней теплопроводности порошков в диапазоне рабочих температур процессов селективного лазерного плавления не позволяют достоверно описать имеющиеся экспериментальные данные. В частности, оценки по моделям последовательных (Я/100) и параллельных (Я/2) теплопроводящих фаз, соответственно, занижают и завышают значение среднего коэффициента теплопроводности, который для рассматриваемого порошка AlSi10Mg составил Я/4... Я/5 (Я - теплопроводность сплава).
Разработана и верифицирована методика оценки эффективного коэффициента поглощения порошкового слоя по результатам сплавления
единичных треков и применения стандартных расчетных моделей для подвижных тепловых источников на примере порошков сплава AlSi10Mg. Показано, что коэффициент поглощения существенно зависит от размера частиц порошкового слоя и составляет для порошка сплава AlSi10Mg со средним размером частиц 20.2 мкм 0.45, а для порошка со средним размером частиц 73.4 мкм - 0.15.
Проведён безразмерный анализ и определены безразмерные критерии аналитических моделей подвижных тепловых источников для прогноза морфологии ванны расплава и дефектности ее структуры
Разработана и верифицирована методика учёта гранулометрического состава при подборе оптимальных параметров для процесса СЛП. Получена обширная база результатов экспериментальных исследований сплавления единичных треков для порошков различного гранулометрического состава.
В развитие данного исследования может быть проведена численная оценка поглощения подводимой энергии порошковым слоем, а также определен закон распределения энергии на границе порошковый слой - платформа построения. В развитие прикладного потенциала разработанной методики оценки теплофизических свойств порошкового слоя может быть проведен ряд экспериментальных исследований для уточнения критериев проплавления порошкового слоя.
Перечень сокращений и обозначений
ДСК - дифференциальная сканирующая калориметрия
ЛД - лазерная дифракция (англ. Laser Diffraction Analysis, LDA)
ПРД - порошковая рентгеновская дифракция (англ. X-ray Diffraction, XRD)
ПМ - порошковая металлургия
РЭМ - растровая электронная микроскопия (англ. Scanning Electron Microscope, SEM)
СЛП - селективное лазерное плавление (англ. Selective Laser Melting, SLM) СТА - совмещенная дифференциальная сканирующая калориметрия ТГ - термогравиметрия
ЭДС - энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия (англ. Energy-Dispersive X-ray spectroscopy, EDX)
EIGA - Electrode Induction Gas Atomization (индукционная плавка электрода с распылением газом)
110
Список литературы
1. Priarone P. C. et al. Laser powder bed fusion (L-PBF) additive manufacturing: On the correlation between design choices and process sustainability //Procedia Cirp. -2018. - Т. 78. - С. 85-90.
2. Herzog D. et al. Additive manufacturing of metals //Acta Materialia. - 2016. -Т. 117. - С. 371-392.
3. Rabinskii L. N., Tokmakov D. I., Solyaev Y. O. Manufacture of the transceiver housing for an active phased array antenna with built-in cooling channels by selective laser melting //Russian Engineering Research. - 2019. - Т. 39. - С. 785-788.
4. DebRoy T. et al. Additive manufacturing of metallic components-process, structure and properties //Progress in materials science. - 2018. - Т. 92. - С. 112-224.
5. Aboulkhair N. T. et al. 3D printing of Aluminium alloys: Additive Manufacturing of Aluminium alloys using selective laser melting //Progress in materials science. - 2019. - Т. 106. - С. 100578.
6. Brock L. et al. Relative performance of additively manufactured and cast aluminum alloys //Journal of Materials Engineering and Performance. - 2021. - Т. 30. -С. 760-782.
7. Trevisan F. et al. On the selective laser melting (SLM) of the AlSi10Mg alloy: process, microstructure, and mechanical properties //Materials. - 2017. - Т. 10. - №. 1. - С. 76.
8. Balbaa M. A. et al. Role of powder particle size on laser powder bed fusion processability of AlSi10mg alloy //Additive manufacturing. - 2021. - Т. 37. - С. 101630.
9. Tiberto D. et al. Additive manufacturing of copper alloys: influence of process parameters and alloying elements //Materials science and technology. - 2019. - Т. 35. -№. 8. - С. 969-977.
10. Tan J. H., Wong W. L. E., Dalgarno K. W. An overview of powder granulometry on feedstock and part performance in the selective laser melting process //Additive Manufacturing. - 2017. - Т. 18. - С. 228-255.
11. Simchi A. The role of particle size on the laser sintering of iron powder //Metallurgical and Materials Transactions B. - 2004. - Т. 35. - С. 937-948.
12. Niu H. J., Chang I. T. H. Selective laser sintering of gas and water atomized high speed steel powders //Scripta Materialia. - 1999. - T. 41. - №. 1. - C. 25-30.
13. Aboulkhair N. T. et al. Reducing porosity in AlSi10Mg parts processed by selective laser melting //Additive manufacturing. - 2014. - T. 1. - C. 77-86.
14. Gibson I. et al. Additive manufacturing technologies. - Cham, Switzerland : Springer, 2021. - T. 17. - C. 160-186.
15. Ngo T. D. et al. Additive manufacturing (3D printing): A review of materials, methods, applications and challenges //Composites Part B: Engineering. - 2018. - T. 143. - C. 172-196.
16. Yap C. Y. et al. Review of selective laser melting: Materials and applications //Applied physics reviews. - 2015. - T. 2. - №. 4.
17. Spierings A. B., Herres N., Levy G. Influence of the particle size distribution on surface quality and mechanical properties in AM steel parts //Rapid Prototyping Journal. - 2011. - T. 17. - №. 3. - C. 195-202.
18. Arora H., Singh R., Brar G. S. Thermal and structural modelling of arc welding processes: A literature review //Measurement and Control. - 2019. - T. 52. - №. 7-8. -C. 955-969.
19. Gladush G. G., Smurov I. Physics of laser materials processing: theory and experiment. - Springer Science & Business Media, 2011. - T. 146.
20. Gusarov A. V. et al. Model of radiation and heat transfer in laser-powder interaction zone at selective laser melting. - 2009.
21. Promoppatum P. et al. A comprehensive comparison of the analytical and numerical prediction of the thermal history and solidification microstructure of Inconel 718 products made by laser powder-bed fusion //Engineering. - 2017. - T. 3. - №. 5. -C. 685-694.
22. Yan Z. et al. Review on thermal analysis in laser-based additive manufacturing //Optics & Laser Technology. - 2018. - T. 106. - C. 427-441.
23. Srivastava S. et al. Multi-physics continuum modelling approaches for metal powder additive manufacturing: a review //Rapid Prototyping Journal. - 2020. - T. 26. -№. 4. - C. 737-764.
24. Solyaev Y., Rabinskiy L., Tokmakov D. Overmelting and closing of thin horizontal channels in AlSi10Mg samples obtained by selective laser melting //Additive Manufacturing. - 2019. - Т. 30. - С. 100847.
25. Rahman M. S. et al. A comparison of the thermo-fluid properties of Ti-6Al-4V melt pools formed by laser and electron-beam powder-bed fusion processes //Journal of Engineering Materials and Technology. - 2021. - Т. 143. - №. 2. - С. 021003.
26. Попович А. А. и др. Анизотропия механических свойств изделий, изготовленных методом селективного лазерного плавления порошковых материалов //Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. - 2016. - №. 3. - С. 4-11.
27. Joshi S. et al. Metal Additive Manufacturing Processes-Laser and Electron Beam Powder Bed Fusion //Additive Manufacturing with Metals: Design, Processes, Materials, Quality Assurance, and Applications. - Cham : Springer International Publishing, 2023. - С. 59-109.
28. Pal, S.; Drstvensek, I.; Brajlih, T. (2018). Physical behaviors of materials in selective laser melting process. DAAAM Int Sci B., Vienna, pp. 239-256
29. King W. E. et al. Laser powder bed fusion additive manufacturing of metals; physics, computational, and materials challenges //Applied Physics Reviews. - 2015. -Т. 2. - №. 4.
30. Oliveira J. P., LaLonde A. D., Ma J. Processing parameters in laser powder bed fusion metal additive manufacturing //Materials & Design. - 2020. - Т. 193. - С. 108762.
31. Malekipour E., El-Mounayri H. Common defects and contributing parameters in powder bed fusion AM process and their classification for online monitoring and control: a review //The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. -2018. - Т. 95. - С. 527-550.
32. Zitelli C., Folgarait P., Di Schino A. Laser powder bed fusion of stainless steel grades: a review //Metals. - 2019. - Т. 9. - №. 7. - С. 731.
33. Yadroitsev, I., Krakhmalev, P., & Yadroitsava, I. (2015). Selective laser melting of Ti6Al4V alloy for biomedical applications: Temperature monitoring and microstructural evolution. Journal of Alloys and Compounds, 583, 404-409.
34. Ullah A. et al. The influence of laser power and scanning speed on the microstructure and surface morphology of Cu2O parts in SLM //Rapid Prototyping Journal. - 2022. - T. 28. - №. 9. - C. 1796-1807.
35. Zhang T. et al. Study on the effects of the processing parameters on the single tracks and the block support structures fabricated by selective laser melting //Journal of Laser Applications. - 2024. - T. 36. - №. 1.
36. Wei K. et al. Effect of energy input on formability, microstructure and mechanical properties of selective laser melted AZ91D magnesium alloy //Materials Science and Engineering: A. - 2014. - T. 611. - C. 212-222.
37. Hur S. M., Kim H. C., Lee S. H. STL file generation with data reduction by the delaunay triangulation method in reverse engineering //The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. - 2002. - T. 19. - C. 669-678.
38. Liu J. et al. Hot cracking in ZK60 magnesium alloy produced by laser powder bed fusion process //Materials Letters. - 2021. - T. 301. - C. 130283.
39. Shuai C. et al. Laser rapid solidification improves corrosion behavior of Mg-Zn-Zr alloy //Journal of Alloys and Compounds. - 2017. - T. 691. - C. 961-969.
40. Wei K. et al. Selective laser melting of Mg-Zn binary alloys: Effects of Zn content on densification behavior, microstructure, and mechanical property //Materials Science and Engineering: A. - 2019. - T. 756. - C. 226-236.
41. Wei K., Wang Z., Zeng X. Influence of element vaporization on formability, composition, microstructure, and mechanical performance of the selective laser melted Mg-Zn-Zr components //Materials letters. - 2015. - T. 156. - C. 187-190.
42. Xie B. et al. Comparison of the biodegradation of ZK30 subjected to solid solution treating and selective laser melting //Journal of Materials Research and Technology. - 2021. - T. 10. - C. 722-729.
43. Bayat M. et al. Keyhole-induced porosities in Laser-based Powder Bed Fusion (L-PBF) of Ti6Al4V: High-fidelity modelling and experimental validation //Additive Manufacturing. - 2019. - T. 30. - C. 100835.
44. Jing C. et al. Microstructure, porosity and mechanical properties of selective laser melted AlSilOMg //Chinese Journal of Aeronautics. - 2020. - T. 33. - №. 7. - C. 2043-2054.
45. Reijonen J. et al. Effect of laser focal point position on porosity and melt pool geometry in laser powder bed fusion additive manufacturing //Additive Manufacturing. -2024. - T. 85. - C. 104180.
46. Valente E. H. et al. Effect of scanning strategy during selective laser melting on surface topography, porosity, and microstructure of additively manufactured Ti-6Al-4V //Applied Sciences. - 2019. - T. 9. - №. 24. - C. 5554.
47. Bai Y. et al. Process optimization and mechanical property evolution of AlSiMg0. 75 by selective laser melting //Materials & Design. - 2018. - T. 140. - C. 257266.
48. Aggarwal A., Patel S., Kumar A. Selective laser melting of 316L stainless steel: physics of melting mode transition and its influence on microstructural and mechanical behavior //Jom. - 2019. - T. 71. - C. 1105-1116.
49. Leis A., Weber R., Graf T. Influence of the process parameters on the absorptance during Laser-Based Powder Bed Fusion of AlSi10Mg //Procedia CIRP. -2020. - T. 94. - C. 173-176.
50. Deng Q. et al. Limitations of linear energy density for laser powder bed fusion of Mg-15Gd-1Zn-0.4 Zr alloy //Materials Characterization. - 2022. - T. 190. - C. 112071.
51. Slotwinski J. A. et al. Characterization of metal powders used for additive manufacturing //Journal of research of the National Institute of Standards and Technology. - 2014. - T. 119. - C. 460.
52. Tang H. P. et al. Effect of powder reuse times on additive manufacturing of Ti-6Al-4V by selective electron beam melting //Jom. - 2015. - T. 67. - №. 3. - C. 555-563.
53. Vock S. et al. Powders for powder bed fusion: a review //Progress in Additive Manufacturing. - 2019. - T. 4. - C. 383-397.
54. Lee H. et al. Lasers in additive manufacturing: A review //International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology. - 2017. - T. 4. - C. 307322.
55. Tenbrock C. et al. Influence of keyhole and conduction mode melting for tophat shaped beam profiles in laser powder bed fusion //Journal of Materials Processing Technology. - 2020. - T. 278. - C. 116514.
56. Bidare P. et al. Laser powder bed fusion at sub-atmospheric pressures //International Journal of Machine Tools and Manufacture. - 2018. - T. 130. - C. 65-72.
57. Traore S. et al. Influence of gas atmosphere (Ar or He) on the laser powder bed fusion of a Ni-based alloy //Journal of Materials Processing Technology. - 2021. - T. 288. - C. 116851.
58. Pauzon C. et al. Control of residual oxygen of the process atmosphere during laser-powder bed fusion processing of Ti-6Al-4V //Additive Manufacturing. - 2021. - T. 38. - C. 101765.
59. Lee K. H., Yun G. J. A novel heat source model for analysis of melt pool evolution in selective laser melting process //Additive Manufacturing. - 2020. - T. 36. -C. 101497.
60. Fu J. et al. Micro selective laser melting of NiTi shape memory alloy: Defects, microstructures and thermal/mechanical properties //Optics & Laser Technology. - 2020.
- T. 131. - C. 106374.
61. Badiru A. B. Additive Manufacturing Handbook: Product Development for the Defense Industry. - CRC Press, 2017.
62. Herderick E. et al. Additive manufacturing of metals: A review //Mater. Sci. Technol. Conf. Exhib. - 2011. - T. 2. - №. 2011. - C. 1413-1425.
63. Wang H. M. Materials' fundamental issues of laser additive manufacturing for high-performance large metallic components //Acta Aeronautica et Astronautica Sinica.
- 2014. - T. 35. - №. 10. - C. 2690-2698.
64. Liu D., Wang Y. Multiphysics simulation of nucleation and grain growth in selective laser melting of alloys //Journal of Computing and Information Science in Engineering. - 2020. - T. 20. - №. 5. - C. 051002.
65. Jiang Q. et al. Comparative study on process-structure-property relationships of TiC/Ti6Al4V and Ti6Al4V by selective laser melting //International Journal of Mechanical Sciences. - 2023. - T. 241. - C. 107963.
66. Wang F. et al. Microstructure and mechanical properties of wire and arc additive manufactured Ti-6Al-4V //Metallurgical and materials transactions A. - 2013. -Т. 44. - С. 968-977.
67. Zheng B. et al. Thermal behavior and microstructural evolution during laser deposition with laser-engineered net shaping: Part I. Numerical calculations //Metallurgical and materials transactions A. - 2008. - Т. 39. - С. 2228-2236.
68. Lambrakos S. G., Cooper K. P. An algorithm for inverse modeling of layer-by-layer deposition processes //Journal of materials engineering and performance. - 2009. -Т. 18. - №. 3. -С. 221-230.
69. Alcisto J. et al. Tensile properties and microstructures of laser-formed Ti-6Al-4 V //Journal of materials engineering and performance. - 2011. - Т. 20. - С. 203-212.
70. Ruttert B. et al. Impact of hot isostatic pressing on microstructures of CMSX-4 Ni-base superalloy fabricated by selective electron beam melting //Materials & Design. - 2016. - Т. 110. - С. 720-727.
71. Mower T. M., Long M. J. Mechanical behavior of additive manufactured, powder-bed laser-fused materials //Materials Science and Engineering: A. - 2016. - Т. 651. - С. 198-213.
72. Tammas-Williams S. et al. The effectiveness of hot isostatic pressing for closing porosity in titanium parts manufactured by selective electron beam melting //Metallurgical and materials transactions A. - 2016. - Т. 47. - №. 5. - С. 1939-1946.
73. Tillmann W. et al. Hot isostatic pressing of IN718 components manufactured by selective laser melting //Additive Manufacturing. - 2017. - Т. 13. - С. 93-102.
74. Tammas-Williams S. et al. Porosity regrowth during heat treatment of hot isostatically pressed additively manufactured titanium components //Scripta Materialia. -2016. - Т. 122. - С. 72-76.
75. Tsai Y. C. et al. Effect of trace La addition on the microstructures and mechanical properties of A356 (Al-7Si-0.35 Mg) aluminum alloys //Journal of alloys and compounds. - 2009. - Т. 487. - №. 1-2. - С. 157-162.
76. Read N. et al. Selective laser melting of AlSi10Mg alloy: Process optimisation and mechanical properties development //Materials & Design (1980-2015). - 2015. - T. 65. - C. 417-424.
77. Aboulkhair N. T. et al. The microstructure and mechanical properties of selectively laser melted AlSi10Mg: The effect of a conventional T6-like heat treatment //Materials Science and Engineering: A. - 2016. - T. 667. - C. 139-146.
78. Thijs L. et al. Fine-structured aluminium products with controllable texture by selective laser melting of pre-alloyed AlSi10Mg powder //Acta Materialia. - 2013. - T. 61. - №. 5. - C. 1809-1819.
79. Louvis E., Fox P., Sutcliffe C. J. Selective laser melting of aluminium components //Journal of Materials Processing Technology. - 2011. - T. 211. - №. 2. - C. 275-284.
80. Kim H., Lin Y., Tseng T. L. B. A review on quality control in additive manufacturing //Rapid Prototyping Journal. - 2018. - T. 24. - №. 3. - C. 645-669.
81. Galy C. et al. Main defects observed in aluminum alloy parts produced by SLM: From causes to consequences //Additive manufacturing. - 2018. - T. 22. - C. 165175.
82. Berglund J., Soderberg R., Warmefjjord K. Industrial needs and available techniques for geometry assurance for metal AM parts with small scale features and rough surfaces //Procedia Cirp. - 2018. - T. 75. - C. 131-136.
83. Tang M., Pistorius P. C., Beuth J. L. Prediction of lack-of-fusion porosity for powder bed fusion //Additive Manufacturing. - 2017. - T. 14. - C. 39-48.
84. Leung C. L. A. et al. In situ X-ray imaging of defect and molten pool dynamics in laser additive manufacturing //Nature communications. - 2018. - T. 9. - №. 1. - C. 1355.
85. Gunenthiram V. et al. Experimental analysis of spatter generation and melt-pool behavior during the powder bed laser beam melting process //Journal of Materials Processing Technology. - 2018. - T. 251. - C. 376-386.
86. Khairallah S. A. et al. Laser powder-bed fusion additive manufacturing: Physics of complex melt flow and formation mechanisms of pores, spatter, and denudation zones //Acta Materialia. - 2016. - T. 108. - C. 36-45.
87. Matthews M. J. et al. Denudation of metal powder layers in laser powder-bed fusion processes //Additive manufacturing handbook. - CRC Press, 2017. - C. 677-692.
88. Mercelis P., Kruth J. P. Residual stresses in selective laser sintering and selective laser melting //Rapid prototyping journal. - 2006. - T. 12. - №. 5. - C. 254-265.
89. Simonelli M., Tse Y. Y., Tuck C. Effect of the build orientation on the mechanical properties and fracture modes of SLM Ti-6Al-4V //Materials Science and Engineering: A. - 2014. - T. 616. - C. 1-11.
90. Frazier W. E. Metal additive manufacturing: a review //Journal of Materials Engineering and performance. - 2014. - T. 23. - C. 1917-1928.
91. Yadroitsev I. et al. Use of track/layer morphology to develop functional parts by selective laser melting //Journal of Laser Applications. - 2013. - T. 25. - №. 5.
92. Wu M. W., Lai P. H., Chen J. K. Anisotropy in the impact toughness of selective laser melted Ti-6Al-4V alloy //Materials Science and Engineering: A. - 2016. - T. 650. - C. 295-299.
93. Chlebus E. et al. Microstructure and mechanical behaviour of Ti—6Al—7Nb alloy produced by selective laser melting //Materials Characterization. - 2011. - T. 62. -№. 5. - C. 488-495.
94. Vilaro T., Colin C., Bartout J. D. As-fabricated and heat-treated microstructures of the Ti-6Al-4V alloy processed by selective laser melting //Metallurgical and materials transactions A. - 2011. - T. 42. - №. 10. - C. 3190-3199.
95. Ahuja B. et al. Developing LBM process parameters for Ti-6Al-4V thin wall structures and determining the corresponding mechanical characteristics //Physics Procedia. - 2014. - T. 56. - C. 90-98.
96. Rai R., Roy G. G., DebRoy T. A computationally efficient model of convective heat transfer and solidification characteristics during keyhole mode laser welding //Journal of Applied Physics. - 2007. - T. 101. - №. 5.
97. Hodge N. E., Ferencz R. M., Solberg J. M. Implementation of a thermomechanical model for the simulation of selective laser melting //Computational Mechanics. - 2014. - T. 54. - №. 1. - C. 33-51.
98. Li C. et al. Residual stress in metal additive manufacturing //Procedia Cirp. -2018. - T. 71. - C. 348-353.
99. Yan W. et al. Multi-physics modeling of single/multiple-track defect mechanisms in electron beam selective melting //Acta Materialia. - 2017. - T. 134. - C. 324-333.
100. Gong H. et al. Analysis of defect generation in Ti-6Al-4V parts made using powder bed fusion additive manufacturing processes //Additive Manufacturing. - 2014.
- T. 1. - C. 87-98.
101. Leuders S. et al. On the mechanical behaviour of titanium alloy TiAl6V4 manufactured by selective laser melting: Fatigue resistance and crack growth performance //International journal of fatigue. - 2013. - T. 48. - C. 300-307.
102. Gusarov A. V., Smurov I. Modeling the interaction of laser radiation with powder bed at selective laser melting //Physics Procedia. - 2010. - T. 5. - C. 381-394.
103. Rombouts M. et al. Photopyroelectric measurement of thermal conductivity of metallic powders //Journal of applied physics. - 2005. - T. 97. - №. 2.
104. Li Y., Gu D. Parametric analysis of thermal behavior during selective laser melting additive manufacturing of aluminum alloy powder //Materials & design. - 2014.
- T. 63. - C. 856-867.
105. Criales L. E. et al. Predictive modeling and optimization of multi-track processing for laser powder bed fusion of nickel alloy 625 //Additive Manufacturing. -2017. - T. 13. - C. 14-36.
106. Pei W. et al. Numerical simulation and parametric analysis of selective laser melting process of AlSi10Mg powder //Applied Physics A. - 2017. - T. 123. - C. 1-15.
107. Dai D., Gu D. Tailoring surface quality through mass and momentum transfer modeling using a volume of fluid method in selective laser melting of TiC/AlSi10Mg powder //International Journal of Machine Tools and Manufacture. - 2015. - T. 88. - C. 95-107.
108. Markl M., Körner C. Multiscale modeling of powder bed-based additive manufacturing //Annual Review of Materials Research. - 2016. - Т. 46. - №. 1. - С. 93123.
109. Grange D. et al. Effect of processing parameters during the laser beam melting of Inconel 738: Comparison between simulated and experimental melt pool shape //Journal of Materials Processing Technology. - 2021. - Т. 289. - С. 116897.
110. Лякишев Н. П. Диаграммы состояния двойных металлических систем: справ //В. - 1996. - Т. 3. - С. 992.
111. Amiri M., Payton E. J. An analytical model for prediction of denudation zone width in laser powder bed fusion additive manufacturing //Additive Manufacturing. -
2021. - Т. 48. - С. 102461.
112. Simchi A. The role of particle size on the laser sintering of iron powder //Metallurgical and Materials Transactions B. - 2004. - Т. 35. - С. 937-948.
113. Добрянский В.Н., Коробов К.С., Рабинский Л.Н. Анализ цифровых изображений единичных треков, полученных методом SLM. СТИН. - 2024. - № 4. - С. 16-19
114. Wei H. L. et al. Mechanistic models for additive manufacturing of metallic components //Progress in Materials Science. - 2021. - Т. 116. - С. 100703.
115. Moda M. et al. Technological implications of the Rosenthal solution for a moving point heat source in steady state on a semi-infinite solid //Materials & Design. -
2022. - Т. 223. - С. 110991.
116. Tian Y. et al. Melt pool morphology and surface roughness relationship for direct metal laser solidification of Hastelloy X //Rapid Prototyping Journal. - 2020. - Т. 26. - №. 8. - С. 1389-1399.
117. Ramos-Grez J. A., Sen M. Analytical, quasi-stationary wilson-rosenthal solution for moving heat sources //International Journal of Thermal Sciences. - 2019. -Т. 140. - С. 455-465.
118. Mendez P. F., Lu Y., Wang Y. Scaling analysis of a moving point heat source in steady-state on a semi-infinite solid //Journal of Heat Transfer. - 2018. - Т. 140. - №. 8. - С. 081301.
119. Dobryanskiy V. N. et al. Generalized Unsteady Thermal Conductivity in a Half-Space //Lobachevskii Journal of Mathematics. - 2023. - Т. 44. - №. 10. - С. 44294437.
120. Eagar T. W. et al. Temperature fields produced by traveling distributed heat sources //Welding journal. - 1983. - Т. 62. - №. 12. - С. 346-355.
121. Rosenthal D. The theory of moving sources of heat and its application to metal treatments //Transactions of the American Society of Mechanical Engineers. - 1946. - Т. 68. - №. 8. - С. 849-865.
122. Dobryanskiy V. N. et al. Estimation of finite heat distribution rate in the process of intensive heating of solids //Lobachevskii Journal of Mathematics. - 2022. -Т. 43. - №. 7. - С. 1832-1841.
123. Жилин А. С. и др. Влияние кремния на теплопроводность Al-Si-Fe сплавов при комнатной температуре //Теплотехника и информатика в образовании, науке и производстве (ТИМ'2018).—Екатеринбург, 2018. - 2018. - №. 7. - С. 101104.
124. Wang X., Chou K. EBSD study of beam speed effects on Ti-6Al-4V alloy by powder bed electron beam additive manufacturing //Journal of Alloys and Compounds. -
2018. - Т. 748. - С. 236-244.
125. Sarmast A., Serajzadeh S., Kokabi A. H. A study on thermal responses, microstructural issues, and natural aging in gas tungsten arc welding of AA2024-T4 //Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture. - 2014. - Т. 228. - №. 3. - С. 413-421.
126. Alfieria V., Caiazzoa F., Sergi V. Autogenous laser welding of AA 2024 aluminium alloy: process issues and bead features //Procedia Cirp. - 2015. - Т. 33. - С. 406-411.
127. Ye J. et al. Energy coupling mechanisms and scaling behavior associated with laser powder bed fusion additive manufacturing //Advanced Engineering Materials. -
2019. - Т. 21. - №. 7. - С. 1900185.
128. Trapp J. et al. In situ absorptivity measurements of metallic powders during laser powder-bed fusion additive manufacturing //Applied Materials Today. - 2017. - T. 9. - C. 341-349.
123
ПРИЛОЖЕНИЕ А
128
ПРИЛОЖЕНИЕ Б
Таблица Б.1 - Некоторые единичные треки, полученные на порошке «Стандарт»: микроснимки, поперечные контуры надплатформенной части и 3D-модель
Р = 220 Вт, V = 100 мм/с
Р = 220 Вт, V = 335 мм/с
Р = 256 Вт, V = 100 мм/с
Р = 256 Вт, V = 335 мм/с
Р = 292 Вт, V = 335 мм/с
Р = 292 Вт, V = 805 мм/с
Р = 292 Вт, V = 1040 мм/с
Р = 328 Вт, V = 335 мм/с
Р = 328 Вт, V = 570 мм/с
в» ¿ве&.т.«я»--*»:
Р = 364 Вт, V = 805 мм/с
Р = 364 Вт, V = 1275 мм/с
Р = 400 Вт, V = 335 мм/с
Р = 400 Вт, V = 570 мм/с
Р = 400 Вт, V = 805 мм/с
Таблица Б.2 - Некоторые единичные треки, полученные на порошке «20»: микроснимки, поперечные контуры надплатформенной части и 3D-модель
Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.