Laser pulsato

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 22247 (2022) Citare questo articolo

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La produzione additiva in metallo (AM) consente la rapida personalizzazione di parti complesse. Tuttavia, ciò porta alla formazione di strutture di grano colonnari che conferiscono alle parti AM proprietà anisotrope. In questo studio, proponiamo una tecnica AM pulsata assistita da laser (PLAAM) per il raffinamento del grano in situ di parti Ti-6Al-4V. Un laser pulsato di nanosecondi è stato focalizzato su un pool di fusione per generare un ambiente favorevole per la promozione di grani fini equiassici. La tecnica PLAAM ha fornito una dimensione media del grano β precedente di 549,6 μm, rispetto a quella di 1297 μm fornita dalla tecnica AM convenzionale. Inoltre, il valore massimo dei multipli di distribuzione uniforme della fase β è diminuito da 16 a 7,7 quando si utilizza la tecnica PLAAM, il che indica una struttura cristallografica indebolita. Questi cambiamenti confermano che la tecnica PLAAM proposta promuove grani precedenti-β più fini e più equiassici. Inoltre, poiché la tecnica proposta è una tecnica senza contatto, può essere applicata a processi esistenti senza modificare i percorsi utensile.

La produzione additiva in metallo (AM) è un processo strato per strato ampiamente utilizzato per la prototipazione rapida e la produzione di strutture metalliche tridimensionali complesse1. Tuttavia, le svantaggiose proprietà anisotrope di trazione e fatica delle strutture a grana colonnare grossa delle parti AM inibiscono l’uso diffuso dell’AM nell’industria manifatturiera2,3. Nei tipici processi AM, i gradienti termici si formano ripidamente all’interno di piccole vasche di fusione, portando a una forte crescita epitassiale dei grani colonnari lungo la direzione di costruzione2,3.

Tra i vari materiali metallici per AM, Ti-6Al-4V è il materiale più ricercato grazie alla sua eccellente applicabilità nei settori biomedico e aerospaziale1. Tuttavia, poiché le tipiche parti Ti-6Al-4V AM hanno grani precedenti-β colonnari grossolani, mostrano proprietà di trazione anisotrope1. Pertanto, la promozione dei grani fini equiassici nelle parti AM è diventata un importante argomento di ricerca per migliorarne le proprietà tensili3.

Sono state proposte varie tecniche per introdurre grani equiassici nelle parti AM. È stato dimostrato che l'introduzione di particelle aggiuntive per favorire la nucleazione attiva è efficace nel promuovere la transizione da colonnare a equiassica, sebbene i cambiamenti nella composizione del materiale siano inevitabili4,5,6. Sono state proposte anche tecniche di post-elaborazione, come la laminazione inter-pass7, la pallinatura a macchina con martello8, il trattamento con impatto a ultrasuoni9 e la pallinatura con shock laser10,11. Tuttavia, poiché queste tecniche vengono applicate dopo la solidificazione degli strati, richiedono più tempo di elaborazione e potrebbero limitare la complessità delle parti AM. L’AM assistita da ultrasuoni risolve questo problema fornendo un’elevata energia ultrasonica al pool di fusione12. Tuttavia, è necessario collegare un trasduttore a ultrasuoni al fondo della piastra di base per fornire in modo efficiente energia sufficiente ad agitare il bagno di fusione. Per applicare questa tecnica di tipo contatto, devono essere risolti i problemi di implementazione, perché è difficile garantire effetti stabili sul pool di fusione in movimento con la sua traiettoria tridimensionale. Recentemente, è stata studiata la fornitura di energia ultrasonica localizzata all'interno del pool di fusione tramite irradiazione laser a intensità modulata per l'affinamento del grano in situ13. Come prova di concetto, la tecnica è stata verificata su una piastra di acciaio inossidabile, dimostrando che il laser a intensità modulata può eseguire contemporaneamente la fusione superficiale e la generazione di ultrasuoni. Nel frattempo, recentemente è stata proposta una AM sincrono assistita da riscaldamento a induzione per il controllo microstrutturale in situ. Resta tuttavia il compito di applicare stabilmente la tecnica per parti di forma arbitraria14.

In questo studio, proponiamo una tecnica AM pulsata assistita da laser (PLAAM) per affinare i grani β precedenti delle parti Ti-6Al-4V durante la deposizione di energia diretta dal laser (DED). Un laser pulsato nell’ordine dei nanosecondi è stato incorporato in un sistema DED per fornire un’elevata energia pulsata al pool di fusione durante l’AM. Poiché PLAAM è una tecnica in situ e senza contatto che influisce sul pool di fusione, può essere applicata all’AM di oggetti complessi con dimensioni e forme arbitrarie. Ispirata alla tecnica degli ultrasuoni di tipo a contatto12 e agli effetti consolidati del laser pulsato sui liquidi15, la tecnica proposta sfrutta le onde d'urto indotte dal laser, la cavitazione e il flusso Marangoni accelerato all'interno del pool di fusione per creare un ambiente favorevole alla formazione di un fine struttura del grano precedente-β equiassico.