Histórico de pesquisa Com o rápido desenvolvimento da tecnologia de fabricação aditiva (AM), especialmente a ampla aplicação da tecnologia de fusão em leito de pó a laser (LPBF), a liga Inconel 718 se tornou um material importante na indústria aeroespacial, de energia e em outros-campos de fabricação de ponta devido ao seu excelente desempenho sob alta temperatura, alta pressão e ambientes corrosivos. No entanto, durante o processo de fusão do leito de pó a laser, o comportamento térmico da liga, a estabilidade da poça de fusão e o crescimento dos grãos afetam significativamente as propriedades finais do material. Os lasers gaussianos tradicionais são comumente usados para esse tipo de processamento, mas devido à sua distribuição desigual de energia, eles são propensos a causar instabilidade na poça de fusão e crescimento irregular de grãos. Lasers-de topo plano, com suas características de distribuição de energia uniforme, podem fornecer melhor controle sobre a estabilidade da poça de fusão e o crescimento direcional de grãos. Espera-se que a pesquisa da aplicação de lasers-de topo plano na fusão de leito de pó a laser otimize o desempenho da liga Inconel 718 e forneça base teórica e suporte técnico para fabricação de alta-qualidade.
Métodos de pesquisa Este estudo empregou uma combinação de simulação e experimentação para investigar os efeitos de lasers-de topo plano no comportamento da poça de fusão e no crescimento de grãos durante a fusão do leito de pó a laser da liga Inconel 718. Simulações de varredura de trilha única foram conduzidas para estudar a influência de parâmetros como potência do laser e velocidade de varredura na distribuição de temperatura da poça de fusão, morfologia da poça de fusão e gradientes térmicos. Com base nos resultados da simulação, uma validação experimental adicional foi conduzida usando lasers de topo plano-de alta potência-para fusão em leito de pó de Inconel 718, observando e analisando a morfologia da poça de fusão, tamanho de grão e propriedades do material. Durante os experimentos, técnicas como observação microestrutural, difração de raios X e testes de propriedades mecânicas foram empregadas para avaliar de forma abrangente o crescimento do grão, a dureza do material e as propriedades de tração. Significado do estudo Este estudo possui um valor teórico e de engenharia significativo. A introdução de lasers-de topo plano pode efetivamente melhorar problemas como instabilidade do banho de fusão e crescimento irregular de grãos que ocorrem com lasers gaussianos convencionais durante o processamento de ligas, fornecendo uma nova abordagem tecnológica para a fabricação aditiva de Inconel 718. Os resultados oferecem referências importantes para otimização adicional de processos de fusão de leito de pó a laser, particularmente no processamento de materiais de liga-de alta temperatura, com amplas perspectivas de aplicação em engenharia. Além disso, este estudo fornece orientação para o projeto do processo de fabricação aditiva de outros materiais de alto{16}}desempenho, promovendo a aplicação da tecnologia de fabricação aditiva na indústria aeroespacial e em outras áreas. Combinação de simulação e experimentação de pista única: a integração de simulação e verificação experimental fornece uma estrutura analítica sistemática para compreender o papel dos lasers-de topo plano na piscina de fusão. Otimização de processo para liga Inconel 718: fornece estratégias de otimização para o processo de fabricação aditiva de Inconel 718, especialmente em termos de melhorias potenciais no desempenho do material, promovendo produção de alta-qualidade de ligas-de alta temperatura. Exploração de aplicações de laser-de topo plano na fusão de leitos de pó: este estudo explorou sistematicamente a aplicação de lasers-de topo plano na fusão de leitos de pó a laser pela primeira vez, fornecendo novas direções para pesquisas futuras em tecnologias relacionadas.
Resultados e Discussão 1. Efeitos da Potência do Laser e da Velocidade de Varredura no Comportamento da Poça Fundida Em ambas as simulações e experimentos, foram explorados os efeitos de diferentes potências do laser e velocidades de varredura na distribuição de temperatura, morfologia e gradiente térmico da poça fundida. Os resultados indicam que em alta potência do laser, a distribuição de temperatura da poça fundida é mais uniforme. Lasers-de topo plano podem reduzir efetivamente as flutuações de temperatura na poça de fusão. Em comparação com os lasers gaussianos convencionais, os lasers-de topo plano fornecem uma distribuição de campo térmico mais estável. Variações na velocidade de varredura afetam significativamente a morfologia e a taxa de resfriamento da poça fundida. Em velocidades de varredura moderadas, a superfície da poça fundida é lisa e o processo de resfriamento é relativamente uniforme, o que ajuda a formar uma estrutura de grãos mais estável. 2. Melhoria da estabilidade da poça fundida por lasers superiores planos-Os resultados experimentais mostram que ao usar lasers superiores-planos, a poça fundida exibe um comportamento mais estável durante a varredura a laser, evitando a instabilidade causada por gradientes térmicos excessivos. Em comparação com os lasers gaussianos, a distribuição uniforme de energia dos lasers-de topo plano reduz efetivamente as flutuações na morfologia da poça de fusão e promove uma boa fusão, reduzindo o crescimento irregular nas bordas da poça de fusão. Essa estabilidade é significativa para o crescimento subsequente do grão e a uniformidade da microestrutura, melhorando efetivamente as propriedades mecânicas e a confiabilidade do material. 3. Direcionalidade do crescimento do grão Ao processar a liga Inconel 718 com lasers-de topo plano, os experimentos observaram melhor direcionalidade no crescimento do grão. Sob o campo térmico uniforme de um laser de topo plano, os longos eixos dos grãos tendem a crescer ao longo da direção de varredura do laser, formando uma estrutura de grãos direcional. Este crescimento direcional melhora significativamente as propriedades mecânicas do material, particularmente a resistência à tração e a resistência à fadiga. Em contraste, o uso de lasers gaussianos mostra forte aleatoriedade no crescimento de grãos devido à instabilidade da poça fundida, resultando em distribuição desigual de grãos, o que afeta ainda mais as propriedades mecânicas abrangentes do material. 4. Otimização das propriedades do material Por meio de análise de microestrutura e testes mecânicos, descobriu-se que a liga Inconel 718 processada com lasers de topo-plano exibe excelentes propriedades em dureza, resistência à tração e desempenho de fadiga: testes de dureza mostram que amostras processadas com lasers de topo-plano os lasers possuem maior dureza, indicando melhor densidade do material e integridade estrutural. Os resultados dos testes de tração mostram que as ligas tratadas com-topo plano a laser-têm maior rendimento e resistência à tração, e o modo de fratura demonstra uma distribuição de tensão mais uniforme, evitando a propagação de trincas. Em testes de fadiga, as amostras tratadas com-laser de topo plano-têm uma vida útil de fadiga mais longa, indicando melhor resistência à fadiga, tornando-as adequadas para aplicações de alto-desempenho. 5. Influência do comportamento térmico e do processo de resfriamento Durante o resfriamento, as amostras processadas com lasers-de topo plano exibem um gradiente térmico relativamente uniforme e uma taxa de resfriamento estável, evitando estresse térmico e estresse residual que podem ocorrer com lasers gaussianos convencionais. Resultados experimentais mostram que um processo de resfriamento mais uniforme promove a distribuição uniforme das tensões internas no material, evitando deformações e trincas causadas por tensões térmicas excessivas.
6. Combinação de simulação e resultados experimentais A alta consistência entre simulação e resultados experimentais indica que o laser-de topo plano tem vantagens significativas na melhoria da estabilidade do banho de fusão, orientação do crescimento de grãos e propriedades do material. Os resultados da simulação fornecem uma base teórica e verificam o controle efetivo do comportamento térmico da poça de fusão e do crescimento de grãos pelo laser-de topo plano. Dados experimentais confirmam ainda mais essa teoria, validando a melhoria nas propriedades do material pelo laser de topo plano por meio de testes de dureza, resistência à tração e fadiga. Discussão e conclusão Comparado com o laser gaussiano, o laser-de topo plano oferece vantagens significativas na estabilidade da poça de fusão e na orientação do crescimento de grãos. Sua distribuição uniforme de energia melhora efetivamente a estabilidade da poça de fusão, reduz alterações irregulares no formato da poça de fusão e promove o crescimento direcional de grãos no material. Otimização das propriedades do material: o laser-de topo plano não apenas melhora o comportamento da poça de fusão, mas também melhora significativamente as propriedades mecânicas da liga Inconel 718, mostrando vantagens notáveis em dureza, resistência à tração e resistência à fadiga. Este estudo demonstra que a aplicação de lasers de topo-plano na fusão de leito de pó a laser não apenas melhora a estabilidade da poça de fusão, mas também fornece um novo caminho técnico para a fabricação de materiais de alto-desempenho, com amplas perspectivas de aplicação, especialmente nos setores aeroespacial, de energia e outros campos. Esta pesquisa oferece novas ideias para a fabricação aditiva de materiais de liga de alto-desempenho. No futuro, os parâmetros do processo poderão ser otimizados ainda mais e mais fontes de laser poderão ser exploradas para uso em materiais de liga de alta-temperatura, promovendo a ampla aplicação da tecnologia de fabricação aditiva na produção industrial.
