Предистория на изследванията С бързото развитие на технологията за адитивно производство (AM), особено широкото приложение на технологията за лазерно сливане на прахови слоеве (LPBF), сплавта Inconel 718 се превърна във важен материал в аерокосмическата, енергийната и други производствени области от висок-клас поради отличната си производителност при висока температура, високо налягане и корозивни среди. Въпреки това, по време на процеса на сливане на лазерно прахообразно легло, термичното поведение на сплавта, стабилността на резервоара от стопилка и растежът на зърната значително влияят върху крайните свойства на материала. Традиционните гаусови лазери обикновено се използват за такава обработка, но поради тяхното неравномерно разпределение на енергията, те са склонни да причинят нестабилност на стопилката и неравномерен растеж на зърната. Лазерите с плосък-върх, с характеристиките си на равномерно разпределение на енергията, могат да осигурят по-добър контрол върху стабилността на стопилката и насочения растеж на зърната. Проучването на приложението на лазери с плосък-върх в сливане на лазерен прахов слой се очаква да оптимизира работата на сплавта Inconel 718 и да предостави теоретична основа и техническа подкрепа за високо{9}}качествено производство.
Изследователски методи Това проучване използва комбинация от симулация и експериментиране, за да изследва ефектите на лазерите с плосък -върх върху поведението на стопилката и растежа на зърната по време на сливането на сплав Inconel 718 в лазерно прахово легло. Бяха проведени симулации на сканиране на една-писта, за да се проучи влиянието на параметри като мощност на лазера и скорост на сканиране върху разпределението на температурата на басейна на стопилката, морфологията на басейна на стопилката и термичните градиенти. Въз основа на резултатите от симулацията беше проведено по-нататъшно експериментално валидиране с помощта на високо-мощни плоски-лазери за сливане на прахов слой на Inconel 718, като се наблюдава и анализира морфологията на стопилката, размера на зърната и свойствата на материала. По време на експериментите бяха използвани техники като микроструктурно наблюдение, дифракция на рентгенови лъчи и изпитване на механични свойства за цялостна оценка на растежа на зърната, твърдостта на материала и свойствата на опън. Значение на изследването Това изследване има значителна теоретична и инженерна стойност. Въвеждането на лазери с плосък -върх може ефективно да подобри проблеми като нестабилност на стопилката и неравномерен растеж на зърната, които възникват при конвенционалните гаусови лазери по време на обработка на сплав, осигурявайки нов технологичен подход за адитивното производство на Inconel 718. Резултатите предлагат важни референции за по-нататъшно оптимизиране на процесите на топене на лазерен прахов слой, особено при обработката на високо{14}}температурни сплавни материали, с широки перспективи за инженерно приложение. Освен това, това проучване предоставя насоки за проектиране на адитивния производствен процес на други високо{16}}ефективни материали, насърчавайки приложението на адитивна производствена технология в космическото пространство и други области. Иновации Сравнение между плосък-върх и традиционни гаусови лазери: Чрез сравняване на приложението на плоски-горни лазери с традиционните гаусови лазери при сливане на лазерно прахово легло, Бяха разкрити предимствата на лазерите с плосък{20}}върх в стабилността на стопилката и контрола на растежа на зърната. Комбинация от симулация и експериментиране с една -писта: Интегрирането на симулация и експериментална проверка осигурява систематична аналитична рамка за разбиране на ролята на лазерите с плосък-върх в стопилката. Оптимизиране на процеса за сплав Inconel 718: Осигурява стратегии за оптимизиране на процеса на производство на добавки на Inconel 718, особено по отношение на потенциални подобрения в производителността на материала, насърчавайки високо-качествено производство на високо-температурни сплави. Проучване на приложенията на плосък{30}}лазер при термоядрен синтез: Това проучване систематично проучва приложението на плоски{31}}лазери при лазерен синтез на прахов слой за първи път, осигурявайки нови насоки за бъдещи изследвания в свързани технологии.
Резултати и дискусия 1. Ефекти от мощността на лазера и скоростта на сканиране върху поведението на басейна с разтопена течност И в двете симулации и експерименти бяха изследвани ефектите от различните мощности на лазера и скоростите на сканиране върху разпределението на температурата, морфологията и термичния градиент на басейна с разтопена течност. Резултатите показват, че при висока лазерна мощност разпределението на температурата на разтопения басейн е по-равномерно. Плоските-лазери могат ефективно да намалят температурните колебания в басейна с разтопена вода. В сравнение с конвенционалните гаусови лазери, лазерите с плосък-върх осигуряват по-стабилно разпределение на термичното поле. Вариациите в скоростта на сканиране значително влияят върху морфологията и скоростта на охлаждане на разтопения басейн. При умерени скорости на сканиране повърхността на басейна с разтопена маса е гладка и процесът на охлаждане е сравнително равномерен, което спомага за формирането на по-стабилна зърнеста структура. 2. Подобряване на стабилността на резервоара с стопилка чрез плоски-горни лазери Експерименталните резултати показват, че когато се използват лазери с плосък-горен слой, басейнът с стопилка проявява по-стабилно поведение по време на лазерно сканиране, избягвайки нестабилност, причинена от прекомерна топлина градиенти. В сравнение с гаусовите лазери, равномерното разпределение на мощността на лазерите с плосък-върх ефективно намалява колебанията в морфологията на басейна с разтопена маса и насърчава доброто сливане, намалявайки неравномерния растеж по краищата на басейна с разтопена маса. Тази стабилност е важна за последващия растеж на зърната и еднородността на микроструктурата, като ефективно подобрява механичните свойства и надеждността на материала. 3. Насоченост на растежа на зърната При обработката на сплав Inconel 718 с лазери с плосък-върх, експериментите наблюдават по-добра насоченост в растежа на зърната. Под равномерното топлинно поле на плосък -лазер, дългите оси на зърната са склонни да растат по посока на сканиране на лазера, образувайки насочена зърнеста структура. Този насочен растеж значително подобрява механичните свойства на материала, особено якостта на опън и устойчивостта на умора. За разлика от това, използването на гаусови лазери показва силна произволност в растежа на зърната поради нестабилност на разтопения басейн, което води до неравномерно разпределение на зърната, което допълнително засяга цялостните механични свойства на материала. 4. Оптимизиране на свойствата на материала Чрез анализ на микроструктурата и механично изпитване беше установено, че сплавта Inconel 718, обработена с лазери с плосък-върх, проявява отлични свойства по отношение на твърдост, якост на опън якост и устойчивост на умора: Тестовете за твърдост показват, че пробите, обработени с-лазери с плосък връх, имат по-висока твърдост, което показва по-добра плътност на материала и структурна цялост. Резултатите от тестовете за опън показват, че обработените с -лазер- плосък връх сплави имат по-висока граница на провлачване и якост на опън, а режимът на счупване демонстрира по-равномерно разпределение на напрежението, предотвратявайки разпространението на пукнатини. При тестове за умора пробите, третирани с -лазер с плосък връх-, имат по-дълъг живот на умора, което показва по-добра устойчивост на умора, което ги прави подходящи за приложения с висока-производителност. 5. Влияние на термичното поведение и процеса на охлаждане По време на охлаждане пробите, обработени с лазери с плосък{33}}връх, показват относително равномерен термичен градиент и стабилно охлаждане скорост, като се избягва топлинен стрес и остатъчен стрес, които могат да възникнат при конвенционалните гаусови лазери. Експерименталните резултати показват, че по-равномерният процес на охлаждане насърчава равномерното разпределение на вътрешните напрежения в материала, предотвратявайки деформация и напукване, причинени от прекомерно топлинно напрежение.
6. Комбинация от симулационни и експериментални резултати Високата последователност между симулационните и експерименталните резултати показва, че лазерът с плосък-горен край има значителни предимства при подобряване на стабилността на стопилката, ориентацията на растеж на зърната и свойствата на материала. Резултатите от симулацията осигуряват теоретична основа и потвърждават ефективния контрол на термичното поведение на басейна на стопилката и растежа на зърната от лазера с плосък-горен край. Експерименталните данни допълнително потвърждават тази теория, потвърждавайки подобряването на свойствата на материала от лазера с плосък-върх чрез тестове за твърдост, якост на опън и умора. Обсъждане и заключение В сравнение с лазера на Гаус, лазерът с плосък-върх предоставя значителни предимства в стабилността на басейна на стопилката и ориентацията на растеж на зърната. Неговото равномерно разпределение на мощността ефективно подобрява стабилността на стопилката, намалява неравномерните промени във формата на стопилката и насърчава насочен растеж на зърната в материала. Оптимизиране на свойствата на материала: Лазерът с плосък -горен край не само подобрява поведението на стопилката, но също така значително подобрява механичните свойства на сплавта Inconel 718, показвайки забележителни предимства в твърдостта, якостта на опън и устойчивостта на умора. Това проучване демонстрира, че прилагането на лазери с плосък{13}}върх при сливане на лазерен прахов слой не само подобрява стабилността на басейна за стопилка, но също така предоставя нов технически път за производство на материали с висока-производителност, с широки перспективи за приложение, особено в космическото пространство, енергетиката и други области. Това изследване предлага нови идеи за адитивно производство на сплавни материали с висока-производителност. В бъдеще параметрите на процеса могат да бъдат допълнително оптимизирани и повече лазерни източници могат да бъдат изследвани за използване във високо-температурни сплави, насърчавайки широкото приложение на адитивна технология за производство в промишленото производство.
