Laser pulsado

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 22247 (2022) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

A manufatura aditiva de metal (AM) permite a rápida personalização de peças complexas. No entanto, leva à formação de estruturas de grãos colunares que conferem às peças AM propriedades anisotrópicas. Neste estudo, propomos uma técnica AM assistida por laser pulsado (PLAAM) para refinamento de grãos in-situ de peças de Ti-6Al-4V. Um laser pulsado de nanossegundos foi focado em uma poça de fusão para gerar um ambiente favorável para a promoção de grãos equiaxiais finos. A técnica PLAAM forneceu um tamanho médio de grão β anterior de 549,6 μm, comparado com 1297 μm fornecido pela técnica AM convencional. Além disso, o valor máximo de múltiplos de distribuição uniforme da fase β diminuiu de 16 para 7,7 quando utilizada a técnica PLAAM, o que indica uma textura cristalográfica enfraquecida. Essas mudanças confirmam que a técnica PLAAM proposta promove grãos β anteriores mais finos e equiaxiais. Além disso, como a técnica proposta é uma técnica sem contato, ela pode ser aplicada a processos existentes sem ajustar os caminhos da ferramenta.

A manufatura aditiva de metal (AM) é um processo camada por camada amplamente utilizado para prototipagem rápida e fabricação de estruturas metálicas tridimensionais complexas1. No entanto, as propriedades anisotrópicas de tração e fadiga desvantajosas das estruturas de grãos colunares grossos das peças AM inibem o uso generalizado de AM na indústria de manufatura . Em processos AM típicos, gradientes térmicos são formados abruptamente dentro de pequenas poças de fusão, levando a um forte crescimento epitaxial de grãos colunares ao longo da direção de construção .

Entre vários materiais AM metálicos, o Ti-6Al-4V é o material mais pesquisado devido à sua excelente aplicabilidade nas indústrias biomédica e aeroespacial1. No entanto, como as peças típicas de Ti-6Al-4V AM possuem grãos colunares grossos anteriores-β, elas exibem propriedades de tração anisotrópicas . Portanto, a promoção de grãos equiaxiais finos em peças AM tornou-se um importante tópico de pesquisa para melhorar suas propriedades de tração3.

Várias técnicas foram propostas para a introdução de grãos equiaxiais nas partes AM. A introdução de partículas adicionais para auxiliar a nucleação ativa provou ser eficaz na promoção da transição colunar para equiaxial, embora mudanças na composição do material sejam inevitáveis4,5,6. Técnicas de pós-processamento, como laminação entre passes7, martelamento mecânico8, tratamento de impacto ultrassônico9 e martelamento por choque a laser10,11, também foram propostas. No entanto, como estas técnicas são aplicadas após a solidificação das camadas, requerem mais tempo de processamento e podem limitar a complexidade das peças AM. AM assistida por ultrassom resolve esse problema fornecendo alta energia de ultrassom à poça de fusão . No entanto, um transdutor de ultrassom deve ser fixado na parte inferior da placa de base para fornecer energia suficiente para agitar a poça de fusão de forma eficiente. Para aplicar esta técnica do tipo contato, os problemas de implementação devem ser resolvidos, porque é difícil garantir efeitos estáveis ​​na poça de fusão em movimento com sua trajetória tridimensional. Recentemente, o fornecimento de energia ultrassônica localizada dentro da poça de fusão por meio de irradiação a laser com intensidade modulada foi investigado para refinamento de grãos in-situ . Como prova de conceito, a técnica foi verificada em uma placa de aço inoxidável, mostrando que o laser de intensidade modulada pode realizar simultaneamente fusão de superfície e geração de ultrassom. Enquanto isso, um AM assistido por aquecimento por indução síncrona foi proposto recentemente para controle microestrutural in-situ. No entanto, permanece a tarefa de aplicar a técnica de forma estável para peças de formato arbitrário14.

Neste estudo, propomos uma técnica AM assistida por laser pulsado (PLAAM) para refinar os grãos β anteriores de peças de Ti-6Al-4V durante a deposição de energia direcionada a laser (DED). Um laser pulsado de nanossegundos foi incorporado a um sistema DED para fornecer alta energia pulsada à poça de fusão durante a manhã. Como o PLAAM é uma técnica in-situ e sem contato que afeta a poça de fusão, ele pode ser aplicado ao AM de objetos complexos com tamanhos e formas arbitrárias. Inspirada na técnica de ultrassom do tipo contato12 e nos bem estabelecidos efeitos do laser pulsado em líquidos15, a técnica proposta explora ondas de choque induzidas por laser, cavitação e fluxo acelerado de Marangoni dentro da poça de fusão para criar um ambiente favorável para a formação de um fino estrutura de grão anterior-β equiaxial.