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Propõe-se um novo mecanismo baseado na fusão seletiva a laser para controlar a microestrutura de produtos no processo de fabricação. O mecanismo baseia-se na geração de ondas ultrassônicas de alta intensidade na poça de fusão por meio de irradiação a laser com modulação de intensidade complexa. Estudos experimentais e simulações numéricas demonstram que esse mecanismo de controle é tecnicamente viável e pode ser integrado de forma eficaz ao projeto de máquinas modernas de fusão seletiva a laser.
A fabricação aditiva (FA) de peças com formas complexas cresceu significativamente nas últimas décadas. No entanto, apesar da variedade de processos de fabricação aditiva, incluindo fusão seletiva a laser (SLM)^1,2,3, deposição direta de metal a laser^4,5,6, fusão por feixe de elétrons^7,8 e outros^9,10, as peças podem apresentar defeitos. Isso se deve principalmente às características específicas do processo de solidificação da poça de fusão, associadas a altos gradientes térmicos, altas taxas de resfriamento e à complexidade dos ciclos de aquecimento na fusão e refusão do material¹¹, que levam ao crescimento epitaxial de grãos e porosidade significativa.^12,13 Estudos demonstraram a necessidade de controlar os gradientes térmicos, as taxas de resfriamento e a composição da liga, ou aplicar choques físicos adicionais por meio de campos externos com diversas propriedades, como ultrassom, para obter estruturas de grãos equiaxiais finos.
Numerosas publicações abordam o efeito do tratamento por vibração no processo de solidificação em processos de fundição convencionais14,15. No entanto, a aplicação de um campo externo a um metal fundido não produz a microestrutura desejada. Se o volume da fase líquida for pequeno, a situação muda drasticamente. Nesse caso, o campo externo afeta significativamente o processo de solidificação. Campos sonoros intensos16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27, agitação por arco28 e oscilação29, efeitos eletromagnéticos durante arcos de plasma pulsados30,31 e outros métodos32 têm sido considerados. A fixação ao substrato utiliza uma fonte externa de ultrassom de alta intensidade (a 20 kHz). O refinamento de grãos induzido por ultrassom é atribuído ao aumento da zona de subresfriamento constitutiva devido à redução do gradiente de temperatura e ao aumento da intensidade do ultrassom na geração de novos cristalitos por meio de cavitação.
Neste trabalho, investigamos a possibilidade de alterar a estrutura granular de aços inoxidáveis ​​austeníticos por meio da sonicação da poça de fusão com ondas sonoras geradas pelo próprio laser de fusão. A modulação da intensidade da radiação laser incidente no meio absorvente resulta na geração de ondas ultrassônicas, que alteram a microestrutura do material. Essa modulação da intensidade da radiação laser pode ser facilmente integrada às impressoras 3D SLM existentes. Os experimentos deste trabalho foram realizados em placas de aço inoxidável cujas superfícies foram expostas à radiação laser com intensidade modulada. Assim, tecnicamente, realiza-se um tratamento superficial a laser. No entanto, se tal tratamento a laser for realizado na superfície de cada camada, durante a construção camada por camada, os efeitos são obtidos em todo o volume ou em partes selecionadas do volume. Em outras palavras, se a peça for construída camada por camada, o tratamento superficial a laser de cada camada é equivalente a um “tratamento volumétrico a laser”.
Enquanto na terapia ultrassônica com sonda ultrassônica, a energia ultrassônica da onda sonora estacionária é distribuída por todo o componente, a intensidade ultrassônica induzida por laser é altamente concentrada perto do ponto de absorção da radiação laser. O uso de um sonotrodo em uma máquina de fusão seletiva a laser (SLM) em leito de pó é complexo, pois a superfície superior do leito de pó exposta à radiação laser deve permanecer estacionária. Além disso, não há tensão mecânica na superfície superior da peça. Portanto, a tensão acústica é próxima de zero e a velocidade das partículas apresenta amplitude máxima em toda a superfície superior da peça. A pressão sonora dentro da poça de fusão não pode exceder 0,1% da pressão máxima gerada pela cabeça de soldagem, pois o comprimento de onda das ondas ultrassônicas com frequência de 20 kHz no aço inoxidável é de aproximadamente 0,3 m e a profundidade geralmente é inferior a aproximadamente 0,3 mm. Portanto, o efeito do ultrassom na cavitação pode ser pequeno.
Deve-se notar que o uso de radiação laser modulada em intensidade na deposição direta de metal a laser é uma área ativa de pesquisa35,36,37,38.
Os efeitos térmicos da radiação laser incidente no meio são a base para quase todas as técnicas de processamento de materiais a laser 39, 40, como corte 41, soldagem, têmpera, perfuração 42, limpeza de superfície, liga de superfície, polimento de superfície 43, etc. tecnologia de processamento de materiais e resultados preliminares resumidos em muitas revisões e monografias 44, 45, 46.
Deve-se notar que qualquer ação não estacionária sobre o meio, incluindo a ação do laser sobre o meio absorvente, resulta na excitação de ondas acústicas nele com maior ou menor eficiência. Inicialmente, o foco principal era a excitação de ondas em líquidos por laser e os vários mecanismos de excitação térmica do som (expansão térmica, evaporação, mudança de volume durante a transição de fase, contração, etc.) 47, 48, 49. Numerosas monografias 50, 51, 52 fornecem análises teóricas desse processo e suas possíveis aplicações práticas.
Essas questões foram posteriormente discutidas em várias conferências, e a excitação a laser de ultrassom tem aplicações tanto em aplicações industriais da tecnologia laser53 quanto na medicina54. Portanto, pode-se considerar que o conceito básico do processo pelo qual a luz laser pulsada age em um meio absorvente foi estabelecido. A inspeção ultrassônica a laser é usada para detecção de defeitos em amostras fabricadas por SLM55,56.
O efeito das ondas de choque geradas por laser nos materiais é a base do laser shock peening57,58,59, que também é usado para o tratamento de superfície de peças fabricadas aditivamente60.No entanto, o fortalecimento por choque a laser é mais eficaz em pulsos de laser de nanossegundos e superfícies carregadas mecanicamente (por exemplo, com uma camada de líquido)59 porque a carga mecânica aumenta a pressão máxima.
Foram realizados experimentos para investigar os possíveis efeitos de diversos campos físicos na microestrutura de materiais solidificados. O diagrama funcional da configuração experimental é mostrado na Figura 1. Um laser de estado sólido Nd:YAG pulsado, operando em modo de pulso livre (duração do pulso \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\ )), foi utilizado. Cada pulso de laser passa por uma série de filtros de densidade neutra e um sistema de placas divisoras de feixe. Dependendo da combinação dos filtros de densidade neutra, a energia do pulso no alvo varia de \(E_L \sim 20~\text {mJ}\) a \(E_L \sim 100~\text {mJ}\). O feixe de laser refletido pelo divisor de feixe é direcionado para um fotodiodo para aquisição simultânea de dados, e dois calorímetros (fotodiodos com um longo tempo de resposta superior a \(1~\text {ms}\)) são utilizados para determinar a radiação incidente e refletida pelo alvo, e dois medidores de potência (fotodiodos com resposta curta) são utilizados para medir a radiação incidente e refletida pelo alvo. tempos\(<10~\text {ns}\)) para determinar a potência óptica incidente e refletida. Calorímetros e medidores de potência foram calibrados para fornecer valores em unidades absolutas usando um detector de termopilha Gentec-EO XLP12-3S-H2-D0 e um espelho dielétrico montado no local da amostra. Focalize o feixe no alvo usando uma lente (revestimento antirreflexo em \(1,06 \upmu \text {m}\), distância focal \(160~\text {mm}\)) e uma cintura do feixe na superfície do alvo de 60– \(100~\upmu\text {m}\).
Diagrama esquemático funcional da configuração experimental: 1—laser; 2—feixe de laser; 3—filtro de densidade neutra; 4—fotodiodo sincronizado; 5—divisor de feixe; 6—diafragma; 7—calorímetro do feixe incidente; 8—calorímetro do feixe refletido; 9—medidor de potência do feixe incidente; 10—medidor de potência do feixe refletido; 11—lente de focalização; 12—espelho; 13—amostra; 14—transdutor piezoelétrico de banda larga; 15—conversor 2D; 16—microcontrolador de posicionamento; 17—unidade de sincronização; 18—sistema de aquisição digital multicanal com diversas taxas de amostragem; 19—computador pessoal.
O tratamento ultrassônico é realizado da seguinte forma. O laser opera em modo de pulso livre; portanto, a duração do pulso de laser é \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\), que consiste em múltiplas durações de aproximadamente \(1,5~\upmu \text {s } \) cada. O formato temporal do pulso de laser e seu espectro consistem em um envelope de baixa frequência e uma modulação de alta frequência, com uma frequência média de cerca de \(0,7~\text {MHz}\), conforme mostrado na Figura 2. O envelope de frequência proporciona o aquecimento e subsequente fusão e evaporação do material, enquanto o componente de alta frequência fornece as vibrações ultrassônicas devido ao efeito fotoacústico. A forma de onda do pulso ultrassônico gerado pelo laser é determinada principalmente pelo formato temporal da intensidade do pulso de laser. A faixa de frequência varia de 7 kHz a 2 MHz, com frequência central de aproximadamente 0,7 MHz. Os pulsos acústicos resultantes do efeito fotoacústico foram registrados utilizando transdutores piezoelétricos de banda larga feitos de filmes de fluoreto de polivinilideno. A forma de onda registrada e seu espectro são mostrados na Figura 2. Deve-se notar que o formato dos pulsos de laser é típico de um laser em modo de oscilação livre.
Distribuição temporal da intensidade do pulso de laser (a) e da velocidade do som (b) na superfície traseira da amostra, os espectros (curva azul) de um único pulso de laser (c) e de um pulso de ultrassom (d) com média de 300 pulsos de laser (curva vermelha).
Podemos distinguir claramente os componentes de baixa e alta frequência do tratamento acústico, correspondentes ao envelope de baixa frequência do pulso de laser e à modulação de alta frequência, respectivamente. Os comprimentos de onda das ondas acústicas geradas pelo envelope do pulso de laser excedem 40 cm; portanto, espera-se que o principal efeito dos componentes de alta frequência de banda larga do sinal acústico sobre a microestrutura seja o dos componentes de banda larga do sinal acústico.
Os processos físicos na SLM são complexos e ocorrem simultaneamente em diferentes escalas espaciais e temporais. Portanto, métodos multiescala são os mais adequados para a análise teórica da SLM. Os modelos matemáticos devem ser inicialmente multifísicos. A mecânica e a termofísica de um meio multifásico "fundido sólido-líquido" interagindo com uma atmosfera de gás inerte podem então ser descritas de forma eficaz. As características das cargas térmicas do material na SLM são as seguintes.
Taxas de aquecimento e resfriamento de até \(10^6~\text {K}/\text {s}\) /\text{ devido à irradiação a laser localizada com densidades de potência de até \(10^{13}~\text {W} cm}^2\).
O ciclo de fusão-solidificação dura entre 1 e \(10~\text {ms}\), o que contribui para a rápida solidificação da zona de fusão durante o resfriamento.
O aquecimento rápido da superfície da amostra resulta na formação de altas tensões termoelásticas na camada superficial. Uma porção suficiente (até 20%) da camada de pó é fortemente evaporada⁶³, o que resulta em uma carga de pressão adicional na superfície em resposta à ablação a laser. Consequentemente, a deformação induzida distorce significativamente a geometria da peça, especialmente perto de suportes e elementos estruturais finos. A alta taxa de aquecimento no recozimento a laser pulsado resulta na geração de ondas de deformação ultrassônicas que se propagam da superfície para o substrato. Para obter dados quantitativos precisos sobre a distribuição local de tensão e deformação, realiza-se uma simulação mesoscópica do problema de deformação elástica conjugada à transferência de calor e massa.
As equações que regem o modelo incluem (1) equações de transferência de calor instáveis, onde a condutividade térmica depende do estado de fase (pó, fundido, policristalino) e da temperatura, (2) flutuações na deformação elástica após ablação contínua e equação de expansão termoelástica. O problema de valor de contorno é determinado pelas condições experimentais. O fluxo de laser modulado é definido na superfície da amostra. O resfriamento convectivo inclui troca de calor condutiva e fluxo evaporativo. O fluxo de massa é definido com base no cálculo da pressão de vapor saturado do material em evaporação. A relação tensão-deformação elastoplástica é utilizada, onde a tensão termoelástica é proporcional à diferença de temperatura. Para potência nominal de 300 W, frequência de 10⁵ Hz, coeficiente de intermitência de 100 e diâmetro efetivo do feixe de 200 µm.
A Figura 3 mostra os resultados da simulação numérica da zona fundida usando um modelo matemático macroscópico. O diâmetro da zona de fusão é de 200 µm (raio de 100 µm) e a profundidade é de 40 µm. Os resultados da simulação mostram que a temperatura da superfície varia localmente com o tempo em 100 K devido ao alto fator de intermitência da modulação de pulso. As taxas de aquecimento (V_h) e resfriamento (V_c) são da ordem de 10⁷ e 10⁶ K/s, respectivamente. Esses valores estão em boa concordância com nossa análise anterior⁶⁴. Uma diferença de ordem de grandeza entre V_h e V_c resulta em superaquecimento rápido da camada superficial, onde a condução térmica para o substrato é insuficiente para remover o calor. Portanto, em \(t=26~\upmu \text {s}\) a temperatura da superfície atinge picos tão altos quanto \(4800~\text {K}\).A evaporação vigorosa do material pode fazer com que a superfície da amostra seja submetida a pressão excessiva e se desprenda.
Resultados da simulação numérica da zona de fusão do recozimento por pulso de laser único em uma placa de amostra de 316L. O tempo desde o início do pulso até a profundidade da poça de fusão atingir o valor máximo é de 180 µs. A isoterma T = T_L = 1723 K representa o limite entre as fases líquida e sólida. As isóbaras (linhas amarelas) correspondem à tensão de escoamento calculada em função da temperatura na próxima seção. Portanto, no domínio entre as duas isolinhas (isotermas T = T_L e isóbaras σ = σ_V(T)), a fase sólida é submetida a fortes cargas mecânicas, o que pode levar a alterações na microestrutura.
Este efeito é explicado com mais detalhes na Figura 4a, onde o nível de pressão na zona fundida é representado em função do tempo e da distância da superfície. Primeiramente, o comportamento da pressão está relacionado à modulação da intensidade do pulso de laser descrita na Figura 2 acima. Uma pressão máxima (s) de aproximadamente 10 MPa foi observada em cerca de t = 26 µm. Em segundo lugar, a flutuação da pressão local no ponto de controle apresenta as mesmas características de oscilação com uma frequência de 500 kHz. Isso significa que ondas de pressão ultrassônicas são geradas na superfície e se propagam para o substrato.
As características calculadas da zona de deformação próxima à zona de fusão são mostradas na Fig. 4b. A ablação a laser e a tensão termoelástica geram ondas de deformação elástica que se propagam no substrato. Como pode ser visto na figura, existem dois estágios de geração de tensão. Durante a primeira fase, em \(t < 40~\upmu \text {s}\), a tensão de von Mises aumenta para \(8~\text {MPa}\) com uma modulação semelhante à pressão superficial. Essa tensão ocorre devido à ablação a laser, e nenhuma tensão termoelástica foi observada nos pontos de controle porque a zona afetada pelo calor inicial era muito pequena. Quando o calor é dissipado no substrato, o ponto de controle gera uma alta tensão termoelástica acima de \(40~\text {MPa}\).
Os níveis de tensão modulados obtidos têm um impacto significativo na interface sólido-líquido e podem ser o mecanismo de controle que rege o caminho de solidificação. O tamanho da zona de deformação é de 2 a 3 vezes maior que o da zona de fusão. Como mostrado na Figura 3, a localização da isoterma de fusão e o nível de tensão igual à tensão de escoamento são comparados. Isso significa que a irradiação por laser pulsado fornece altas cargas mecânicas em áreas localizadas com um diâmetro efetivo entre 300 e 800 µm, dependendo do instante.
Portanto, a modulação complexa do recozimento a laser pulsado leva ao efeito ultrassônico. O caminho de seleção da microestrutura é diferente em comparação com a SLM sem carregamento ultrassônico. Regiões instáveis ​​deformadas levam a ciclos periódicos de compressão e alongamento na fase sólida. Assim, a formação de novos contornos de grão e subgrão torna-se viável. Portanto, as propriedades microestruturais podem ser alteradas intencionalmente, como mostrado abaixo. As conclusões obtidas oferecem a possibilidade de projetar um protótipo de SLM acionado por ultrassom induzido por modulação de pulso. Nesse caso, o indutor piezoelétrico 26 usado em outros trabalhos pode ser excluído.
(a) Pressão em função do tempo, calculada a diferentes distâncias da superfície 0, 20 e 40 µm ao longo do eixo de simetria. (b) Tensão de Von Mises dependente do tempo calculada em uma matriz sólida a distâncias de 70, 120 e 170 µm da superfície da amostra.
Os experimentos foram realizados em placas de aço inoxidável AISI 321H com dimensões de 20 × 20 × 5 mm. Após cada pulso de laser, a placa se desloca 50 µm e o raio do feixe de laser na superfície do alvo é de aproximadamente 100 µm. Até cinco passagens subsequentes do feixe são realizadas ao longo da mesma trajetória para induzir a refusão do material processado e, consequentemente, o refinamento de grãos. Em todos os casos, a zona refundida foi sonicada, dependendo da componente oscilatória da radiação laser. Isso resulta em uma redução de mais de 5 vezes na área média dos grãos. A Figura 5 mostra como a microestrutura da região fundida a laser se altera com o número de ciclos (passagens) subsequentes de refusão.
Subgráficos (a, d, g, j) e (b, e, h, k) – microestrutura das regiões fundidas a laser; subgráficos (c, f, i, l) – distribuição da área dos grãos coloridos. O sombreamento representa as partículas usadas para calcular o histograma. As cores correspondem às regiões dos grãos (veja a barra de cores na parte superior do histograma). Os subgráficos (ac) correspondem ao aço inoxidável não tratado e os subgráficos (df), (gi) e (jl) correspondem a 1, 3 e 5 refusões.
Como a energia do pulso de laser não muda entre passagens subsequentes, a profundidade da zona fundida é a mesma. Assim, o canal subsequente "cobre" completamente o anterior. No entanto, o histograma mostra que a área média e mediana dos grãos diminui com o aumento do número de passagens. Isso pode indicar que o laser está atuando sobre o substrato em vez do material fundido.
O refinamento de grãos pode ser causado pelo resfriamento rápido da poça de fusão65. Outro conjunto de experimentos foi realizado, no qual as superfícies de placas de aço inoxidável (321H e 316L) foram expostas à radiação laser de onda contínua na atmosfera (Fig. 6) e no vácuo (Fig. 7). A potência média do laser (300 W e 100 W, respectivamente) e a profundidade da poça de fusão são próximas aos resultados experimentais do laser Nd:YAG em modo de operação livre. No entanto, uma estrutura colunar típica foi observada.
Microestrutura da região fundida a laser por um laser de onda contínua (potência constante de 300 W, velocidade de varredura de 200 mm/s, aço inoxidável AISI 321H).
(a) Microestrutura e (b) imagem de difração de retroespalhamento de elétrons da zona de fusão a laser de onda contínua a vácuo (potência constante de 100 W, velocidade de varredura de 200 mm/s, aço inoxidável AISI 316L) \ (\sim 2~\text {mbar }\).
Portanto, fica claramente demonstrado que a modulação complexa da intensidade do pulso de laser tem um efeito significativo na microestrutura resultante. Acreditamos que esse efeito seja de natureza mecânica e ocorra devido à geração de vibrações ultrassônicas que se propagam da superfície irradiada do material fundido para o interior da amostra. Resultados semelhantes foram obtidos em 13, 26, 34, 66, 67 usando transdutores piezoelétricos externos e sonotrodos que fornecem ultrassom de alta intensidade em vários materiais, incluindo a liga Ti-6Al-4V 26 e o ​​aço inoxidável 34. O possível mecanismo é especulado da seguinte forma: o ultrassom intenso pode causar cavitação acústica, como demonstrado em imagens de raios X de sincrotron in situ ultrarrápidas. O colapso das bolhas de cavitação, por sua vez, gera ondas de choque no material fundido, cuja pressão frontal atinge cerca de 100 MPa 69. Essas ondas de choque podem ser fortes o suficiente para promover a formação de núcleos de fase sólida de tamanho crítico em líquidos a granel, interrompendo a estrutura típica de grãos colunares. da fabricação aditiva camada por camada.
Aqui, propomos outro mecanismo responsável pela modificação estrutural por sonicação intensa. O material logo após a solidificação encontra-se a uma temperatura elevada, próxima ao ponto de fusão, e apresenta uma tensão de escoamento extremamente baixa. Ondas ultrassônicas intensas podem causar fluxo plástico, alterando a estrutura granular do material quente recém-solidificado. No entanto, dados experimentais confiáveis ​​sobre a dependência da tensão de escoamento com a temperatura estão disponíveis em T ≤ 1150 K (ver Figura 8). Portanto, para testar a hipótese, realizamos simulações de dinâmica molecular (DM) de uma composição Fe-Cr-Ni similar ao aço AISI 316 L, a fim de avaliar o comportamento da tensão de escoamento próximo ao ponto de fusão. Para calcular a tensão de escoamento, utilizamos a técnica de relaxamento de tensão de cisalhamento por DM detalhada em 70, 71, 72, 73. Para os cálculos de interação interatômica, utilizamos o Modelo Atômico Incorporado (EAM) de 74. As simulações de DM foram realizadas utilizando os códigos LAMMPS 75,76. Detalhes da simulação de DM serão publicados. em outros lugares. Os resultados do cálculo MD da tensão de escoamento em função da temperatura são mostrados na Fig. 8 juntamente com dados experimentais disponíveis e outras avaliações77,78,79,80,81,82.
Tensão de escoamento para aço inoxidável austenítico AISI grau 316 e composição do modelo versus temperatura para simulações de dinâmica molecular. Medições experimentais das referências: (a) 77, (b) 78, (c) 79, (d) 80, (e) 81. (f) 82 é um modelo empírico da dependência da tensão de escoamento com a temperatura para medição de tensão em linha durante a manufatura aditiva assistida por laser. Os resultados da simulação de dinâmica molecular em grande escala neste estudo são denotados como \(\vartriangleleft\) para um monocristal infinito sem defeitos e \(\vartriangleright\) para grãos finitos, levando em consideração o tamanho médio do grão por meio da relação de Hall-Petch. Dimensões\(d = 50~\upmu \text {m}\).
Pode-se observar que, a \(T>1500~\text {K}\), a tensão de escoamento cai abaixo de \(40~\text {MPa}\). Por outro lado, as estimativas preveem que a amplitude ultrassônica gerada pelo laser excede \(40~\text {MPa}\) (ver Fig. 4b), o que é suficiente para induzir o fluxo plástico no material quente recém-solidificado.
A formação da microestrutura do aço inoxidável austenítico 12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) durante a SLM foi investigada experimentalmente usando uma fonte de laser pulsado com modulação de intensidade complexa.
Observou-se redução no tamanho dos grãos na zona de fusão a laser devido à refusão contínua a laser após 1, 3 ou 5 passagens.
A modelagem macroscópica mostra que o tamanho estimado da região onde a deformação ultrassônica pode afetar positivamente a frente de solidificação é de até \(1~\text {mm}\).
O modelo MD microscópico mostra que a resistência ao escoamento do aço inoxidável austenítico AISI 316 é significativamente reduzida para \(40~\text {MPa}\) próximo ao ponto de fusão.
Os resultados obtidos sugerem um método para controlar a microestrutura de materiais usando processamento a laser modulado complexo e podem servir como base para a criação de novas modificações da técnica SLM pulsada.
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