Medições de pool de fusão in situ para fusão de leito de pó a laser usando detecção múltipla e análise de correlação

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 13716 (2022) Citar este artigo

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A fusão a laser em leito de pó é uma tecnologia promissora para deposição local e controle de microestrutura, mas sofre de defeitos como delaminação e porosidade devido à falta de compreensão da dinâmica do banho de fusão. Para estudar o comportamento fundamental da poça de fusão, são necessários sensores geométricos e térmicos com altas resoluções espaciais e temporais. Este trabalho aplica e integra três tecnologias avançadas de detecção: imagem de raios X síncrotron, câmera IR de alta velocidade e câmera IR de alta resolução espacial para caracterizar a evolução da forma da poça de fusão, buraco da fechadura, pluma de vapor e evolução térmica em Ti –6Al–4V e caixas de ponto fundido em aço inoxidável 410. Além de apresentar a capacidade de detecção, este documento desenvolve um algoritmo eficaz para dados de imagens de raios-X de alta velocidade para identificar geometrias de poças de fusão com precisão. Métodos de pré-processamento também são implementados para os dados de IR para estimar o valor de emissividade e extrapolar os pixels saturados. São realizadas quantificações de velocidades limite, dimensões da poça de fusão, gradientes térmicos e taxas de resfriamento, permitindo uma futura análise abrangente da dinâmica da poça de fusão e da microestrutura. O estudo descobre uma forte correlação entre os dados térmicos e de raios-X, demonstrando a viabilidade de usar câmeras IR relativamente baratas para prever recursos que atualmente só podem ser capturados usando imagens de raios-X síncrotron caras. Essa correlação pode ser usada para o futuro controle da poça de fusão com base térmica e validação do modelo.

A fusão de leito de pó a laser (L-PBF) é um método popular de manufatura aditiva de metal (AM) (também conhecido como impressão 3D de metal)1,2,3,4. Ele usa um feixe de laser para formar a peça, derretendo repetidamente pós finos na superfície do substrato. Devido à sua forma de deposição em camadas e local específico, o L-PBF pode criar geometrias complexas que os métodos de fabricação tradicionais não podem. Além disso, em L-PBF, o controle de propriedade do material específico do local pode ser obtido pela atribuição de parâmetros de impressão específicos do local5. Dadas as vantagens acima, o L-PBF já foi utilizado em muitos setores, como médico, aeroespacial e de defesa6,7.

No entanto, o L-PBF ainda sofre de grande tensão residual, deformação, delaminação e porosidade8,9,10. A falta de compreensão do processo de fusão e solidificação em condições de não equilíbrio é a principal barreira para alcançar uma deposição de alta qualidade11,12. A poça de fusão e a evolução do buraco da fechadura devem ser bem estudadas para permitir o controle local da microestrutura e minimizar a formação de defeitos13. Mais especificamente, são necessárias medições do gradiente térmico e da velocidade limite sólido-líquido.

A poça de fusão é o material da fase líquida limitado pelo limite sólido-líquido móvel. As propriedades do material de uma peça impressa em 3D são determinadas pela microestrutura resultante do gradiente térmico e da velocidade do líquido para o sólido durante o processo de solidificação14. O buraco da fechadura é a zona de depressão de vapor no centro da poça de fusão causada por superaquecimento, vaporização e pressão de recuo de vapor resultante. A gravidade do buraco da fechadura está criticamente relacionada ao nível de porosidade do gás aprisionado durante o processo de fusão e solidificação15,16. Observe que a falta de fusão e rachaduras a quente podem introduzir porosidade adicional, mas esses problemas estão em uma escala muito maior que normalmente é considerada inaceitável; portanto, eles não são abordados neste artigo.

Este trabalho se concentra principalmente na fusão e solidificação de ponto único. Embora este método tenha limitações na aplicabilidade à varredura de linha tradicional, ele oferece uma condição de poça de fusão semelhante à fusão de ponto aleatório. A estratégia de fusão pontual é escolhida neste artigo porque é um novo método que é cada vez mais popular na AM de metais, conforme evidenciado pela literatura recente (altamente citada)17,18,19,20,21. Além disso, uma compreensão abrangente da fusão de ponto único é essencial para construir uma plataforma para validar os esforços de modelagem, que podem ser estendidos para problemas mais complexos. O trabalho experimental de Dehoff et al.17 demonstrou que o uso da estratégia de ponto de fusão pode efetivamente manipular a morfologia microestrutural de colunar a equiaxial.