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É proposto um novo mecanismo baseado na fusão seletiva a laser para controlar a microestrutura de produtos no processo de fabricação. O mecanismo se baseia na geração de ondas ultrassônicas de alta intensidade na poça fundida por irradiação laser complexa modulada por intensidade. Estudos experimentais e simulações numéricas mostram que esse mecanismo de controle é tecnicamente viável e pode ser efetivamente integrado ao projeto de modernas máquinas de fusão seletiva a laser.
A manufatura aditiva (MA) de peças com formas complexas cresceu significativamente nas últimas décadas. No entanto, apesar da variedade de processos de manufatura aditiva, incluindo fusão seletiva a laser (SLM)1,2,3, deposição direta de metal a laser4,5,6, fusão por feixe de elétrons7,8 e outros9,10, as peças podem apresentar defeitos. Isso se deve principalmente às características específicas do processo de solidificação da poça de fusão, associado a altos gradientes térmicos, altas taxas de resfriamento e à complexidade dos ciclos de aquecimento em materiais de fusão e refusão11, que levam ao crescimento epitaxial de grãos e à porosidade significativa12,13. Os resultados mostram que é necessário controlar gradientes térmicos, taxas de resfriamento e composição da liga, ou aplicar choques físicos adicionais por meio de campos externos de várias propriedades (por exemplo, ultrassom) para obter estruturas de grãos equiaxiais finas.
Várias publicações estão preocupadas com o efeito do tratamento de vibração no processo de solidificação em processos de fundição convencionais14,15. No entanto, a aplicação de um campo externo a grandes massas fundidas não produz a microestrutura de material desejada. Se o volume da fase líquida for pequeno, a situação muda drasticamente. Neste caso, o campo externo afeta significativamente o processo de solidificação. Efeitos eletromagnéticos foram considerados durante campos acústicos intensos16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27, agitação de arco28 e oscilação29, arcos de plasma pulsado30,31 e outros métodos32. Fixe ao substrato usando uma fonte externa de ultrassom de alta intensidade (a 20 kHz). O refinamento do grão induzido por ultrassom é atribuído ao aumento da zona de sub-resfriamento composicional devido ao gradiente de temperatura reduzido e ao aprimoramento do ultrassom para gerar novos cristais por meio da cavitação.
Neste trabalho, investigamos a possibilidade de alterar a estrutura de grãos 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 absorvedor de luz 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 neste trabalho foram realizados em placas de aço inoxidável cujas superfícies foram expostas à radiação laser de intensidade modulada. Portanto, tecnicamente, o tratamento de superfície a laser é feito. No entanto, se tal tratamento a laser for realizado na superfície de cada camada, durante a construção camada por camada, os efeitos em todo o volume ou em partes selecionadas do volume são alcançados. Em outras palavras, se a peça for construída camada por camada, o tratamento de superfície a laser de cada camada é equivalente ao "tratamento de volume a laser".
Enquanto na terapia ultrassônica baseada em corneta ultrassônica, a energia ultrassônica da onda sonora estacionária é distribuída por todo o componente, enquanto a intensidade ultrassônica induzida por laser é altamente concentrada perto do ponto onde a radiação laser é absorvida. Usar um sonotrodo em uma máquina de fusão de leito de pó SLM é complicado porque a superfície superior do leito de pó exposta à radiação laser deve permanecer estacionária. Além disso, não há estresse mecânico na superfície superior da peça. Portanto, o estresse acústico é próximo de zero e a velocidade das partículas tem uma amplitude máxima em toda a superfície superior da peça. A pressão sonora dentro de toda a poça de fusão não pode exceder 0,1% da pressão máxima gerada pela cabeça de soldagem, porque o comprimento de onda das ondas ultrassônicas com uma frequência de 20 kHz em aço inoxidável é \(\sim 0,3~\text {m}\), e a profundidade é geralmente menor que \(\sim 0,3~\text {mm}\). Portanto, o efeito do ultrassom na cavitação pode ser pequeno.
Deve-se notar que o uso de radiação laser modulada por intensidade na deposição direta de metal a laser é uma área ativa de pesquisa35,36,37,38.
O efeito térmico da radiação laser incidente no meio é a base de quase todas as técnicas de laser 39, 40 para processamento de materiais, como corte41, soldagem, têmpera, perfuração42, limpeza de superfície, liga de superfície, polimento de superfície43, etc. A invenção do laser estimulou novos desenvolvimentos em técnicas de processamento de materiais, e os resultados preliminares foram resumidos em inúmeras revisões e monografias44,45,46.
Deve-se notar que qualquer ação não estacionária no meio, incluindo ação de laser no meio absorvente, resulta na excitação de ondas acústicas nele com maior ou menor eficiência. Inicialmente, o foco principal estava na excitação de ondas a laser em líquidos e nos vários mecanismos de excitação térmica do som (expansão térmica, evaporação, mudança de volume durante a transição de fase, contração, etc.) 47, 48, 49. Numerosas monografias50, 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 do ultrassom tem aplicações tanto em aplicações industriais da tecnologia a laser53 quanto na medicina54. Portanto, pode-se considerar que o conceito básico do processo pelo qual a luz laser pulsada atua 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 martelamento por choque a laser57,58,59, que também é usado para o tratamento de superfície de peças fabricadas de forma aditiva60. 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 de pico.
Foram conduzidos experimentos para investigar os possíveis efeitos de vários 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 execução livre (duração do pulso \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\ )) foi usado. Cada pulso de laser é passado por uma série de filtros de densidade neutra e um sistema de placa divisora ​​de feixe. Dependendo da combinação de 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 do divisor de feixe é alimentado a um fotodiodo para aquisição simultânea de dados, e dois calorímetros (fotodiodos com um longo tempo de resposta excedendo \(1~\text {ms}\)) são usados ​​para determinar o incidente e refletido do alvo, e dois medidores de potência (fotodiodos com tempos de resposta curtos\(<10~\text {ns}\)) 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 a \(1,06 \upmu \text {m}\), distância focal \(160~\text {mm}\)) e uma cintura de feixe na superfície do alvo 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 foco; 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 várias taxas de amostragem; 19 – computador pessoal.
O tratamento ultrassônico é realizado da seguinte forma. O laser opera em modo de execução livre; portanto, a duração do pulso do laser é \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\), que consiste em várias durações de aproximadamente \(1,5~\upmu \text {s } \) cada. A forma temporal do pulso do 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 fornece o aquecimento e a 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 pela forma temporal da intensidade do pulso do laser. É de \(7~\texto {kHz}\) a \ (2~\texto {MHz}\), e a frequência central é \(~ 0,7~\texto {MHz}\). Pulsos acústicos devido ao efeito fotoacústico foram registrados usando 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 observar que o formato dos pulsos do laser é típico de um laser de modo de execução livre.
Distribuição temporal da intensidade do pulso de laser (a) e da velocidade do som na superfície posterior da amostra (b), espectros do pulso de laser (c) e do pulso ultrassônico (d) com média de 300 pulsos de laser (curva vermelha) para um único pulso de laser (curva azul).
Podemos distinguir claramente os componentes de baixa frequência e alta frequência do tratamento acústico correspondentes ao envelope de baixa frequência do pulso do laser e à modulação de alta frequência, respectivamente. Os comprimentos de onda das ondas acústicas geradas pelo envelope do pulso do laser excedem \(40~\text {cm}\); portanto, o principal efeito dos componentes de alta frequência de banda larga do sinal acústico na microestrutura é esperado.
Os processos físicos em SLM são complexos e ocorrem simultaneamente em diferentes escalas espaciais e temporais. Portanto, métodos multiescala são mais adequados para análise teórica de SLM. Modelos matemáticos devem inicialmente ser multifísicos. A mecânica e a termofísica de um meio multifásico “fusão sólido-líquido” interagindo com uma atmosfera de gás inerte podem então ser efetivamente descritas. As características das cargas térmicas do material em SLM são as seguintes.
Taxas de aquecimento e resfriamento de até \(10^6~\texto {K}/\texto {s}\) /\texto{ devido à irradiação localizada do laser com densidades de potência de até \(10^{13}~\texto {W} cm}^2\).
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, é realizada 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 instável onde a condutividade térmica depende do estado de fase (pó, fusão, policristalino) e temperatura, (2) flutuações na deformação elástica após ablação contínua e equação de expansão termoelástica. O problema do valor limite é determinado por 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 usada onde a tensão termoelástica é proporcional à diferença de temperatura. Para potência nominal \(300~\text {W}\), frequência \(10^5~\text {Hz}\), coeficiente intermitente 100 e \(200~\upmu \text {m}\ ) do diâmetro efetivo do feixe.
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 \(200~\upmu \text {m}\) (\(100~\upmu \text { m}\) raio) e \(40~\upmu \text {m}\) profundidade. Os resultados da simulação mostram que a temperatura da superfície varia localmente com o tempo como \(100~\text {K}\) devido ao alto fator intermitente da modulação de pulso. As taxas de aquecimento \(V_h\) e resfriamento \(V_c\) são da ordem de \(10^7\) e \(10^6~\text {K}/\text {s}\), respectivamente. Esses valores estão em boa concordância com nossa análise anterior64. Uma diferença de ordem de magnitude 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 o pico de \(4800~\text {K}\). A evaporação vigorosa do material pode fazer com que a superfície da amostra seja submetida a pressão excessiva e descasque.
Resultados de simulação numérica da zona de fusão do recozimento de pulso de laser único em placa de amostra 316L. O tempo do início do pulso até a profundidade da poça de fusão atingir o valor máximo é de \(180~\upmu\text {s}\). A isoterma\(T = T_L = 1723~\text {K}\) 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\(\sigma =\sigma _V(T)\)), a fase sólida é submetida a fortes cargas mecânicas, o que pode levar a mudanças na microestrutura.
Este efeito é explicado melhor na Figura 4a, onde o nível de pressão na zona fundida é plotado como uma função do tempo e da distância da superfície. Primeiro, o comportamento da pressão está relacionado à modulação da intensidade do pulso do laser descrita na Figura 2 acima. Uma pressão máxima de \text{s}\) de cerca de \(10~\text {MPa}\) foi observada em cerca de \(t=26~\upmu). Segundo, a flutuação da pressão local no ponto de controle tem as mesmas características de oscilação que a frequência de \(500~\text {kHz}\). Isso significa que ondas de pressão ultrassônica são geradas na superfície e então 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 o estresse termoelástico geram ondas de deformação elástica que se propagam no substrato. Como pode ser visto na figura, há dois estágios de geração de estresse. Durante a primeira fase de \(t < 40~\upmu \text {s}\), o estresse de Mises sobe para \(8~\text {MPa}\) com uma modulação semelhante à pressão da superfície. Esse estresse ocorre devido à ablação a laser, e nenhum estresse termoelástico foi observado 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 alto estresse termoelástico 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 governa o caminho de solidificação. O tamanho da zona de deformação é de 2 a 3 vezes maior que o da zona de fusão. Conforme 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 de laser pulsado fornece altas cargas mecânicas em áreas localizadas com um diâmetro efetivo entre 300 e \(800~\upmu \text {m}\) dependendo do tempo instantâneo.
Portanto, a modulação complexa do recozimento do laser pulsado leva ao efeito ultrassônico. O caminho de seleção da microestrutura é diferente se comparado ao SLM sem carga ultrassônica. Regiões instáveis ​​deformadas levam a ciclos periódicos de compressão e alongamento na fase sólida. Assim, a formação de novos contornos de grãos e contornos de subgrãos se torna viável. Portanto, as propriedades microestruturais podem ser alteradas intencionalmente, conforme mostrado abaixo. As conclusões obtidas fornecem a possibilidade de projetar um protótipo de SLM acionado por ultrassom induzido por modulação de pulso. Neste caso, o indutor piezoelétrico 26 usado em outro lugar pode ser excluído.
(a) Pressão em função do tempo, calculada em diferentes distâncias da superfície 0, 20 e \(40~\upmu \text {m}\) ao longo do eixo de simetria. (b) Tensão de Von Mises dependente do tempo calculada em uma matriz sólida nas distâncias 70, 120 e \(170~\upmu \text {m}\) da superfície da amostra.
Os experimentos foram realizados em placas de aço inoxidável AISI 321H com dimensões de \(20\vezes 20\vezes 5~\texto {mm}\). Após cada pulso de laser, a placa se move \(50~\upmu \texto {m}\), e a cintura do feixe de laser na superfície alvo é de cerca de \(100~\upmu \texto {m}\). Até cinco passagens subsequentes do feixe são realizadas ao longo da mesma trilha para induzir a refusão do material processado para refinamento de grãos. Em todos os casos, a zona refundida foi sonicada, dependendo do componente oscilatório da radiação laser. Isso resulta em uma redução de mais de 5 vezes na área média de grãos. A Figura 5 mostra como a microestrutura da região derretida pelo laser muda com o número de ciclos de refusão subsequentes (passagens).
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), (jl) correspondem às refusões 1, 3 e 5.
Como a energia do pulso do laser não muda entre as 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 do grão diminui com o aumento do número de passagens. Isso pode indicar que o laser está agindo no substrato e não no fundido.
O refinamento do grão 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 estão próximas dos resultados experimentais do laser Nd:YAG no modo de execução livre. No entanto, uma estrutura colunar típica foi observada.
Microestrutura da região derretida pelo laser de 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) imagens de difração de retrodispersão de elétrons da região fundida pelo laser no vácuo com um laser de onda contínua (potência constante de 100 W, velocidade de varredura de 200 mm/s, aço inoxidável AISI 316L)\ (\sim 2~\text {mbar}\).
Portanto, é claramente demonstrado que a modulação complexa da intensidade do pulso do laser tem um efeito significativo na microestrutura resultante. Acreditamos que esse efeito é de natureza mecânica e ocorre devido à geração de vibrações ultrassônicas que se propagam da superfície irradiada do fundido profundamente na amostra. Resultados semelhantes foram obtidos em 13, 26, 34, 66, 67 usando transdutores piezoelétricos externos e sonotrodos fornecendo ultrassom de alta intensidade em vários materiais, incluindo liga Ti-6Al-4V 26 e aço inoxidável 34 o resultado de. O possível mecanismo é especulado da seguinte forma. O ultrassom intenso pode causar cavitação acústica, conforme demonstrado em imagens de raios X síncrotron 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 \(100~\text {MPa}\)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 o típico estrutura de grãos colunares da manufatura aditiva camada por camada.
Aqui, propomos outro mecanismo responsável pela modificação estrutural por sonicação intensa. Imediatamente após a solidificação, o material está em alta temperatura próxima ao ponto de fusão e apresenta uma tensão de escoamento extremamente baixa. Ondas ultrassônicas intensas podem fazer com que o fluxo plástico altere a estrutura dos grãos do material quente recém-solidificado. No entanto, dados experimentais confiáveis ​​sobre a dependência da temperatura da tensão de escoamento estão disponíveis em \(T\lesssim 1150~\text {K}\) (ver Figura 8). Portanto, para testar essa hipótese, realizamos simulações de dinâmica molecular (MD) de uma composição Fe-Cr-Ni semelhante 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 da tensão de cisalhamento MD detalhada em 70, 71, 72, 73. Para os cálculos de interação interatômica, utilizamos o Modelo Atômico Embarcado (EAM) de 74. As simulações de MD foram realizadas usando códigos LAMMPS 75,76. Detalhes das simulações de MD serão publicados em outro lugar. Os resultados do cálculo de MD da tensão de escoamento como uma função da temperatura são mostrados na Fig. 8 junto 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 MD. Medições experimentais das referências: (a) 77, (b) 78, (c) 79, (d) 80, (e) 81. consulte. (f) 82 é um modelo empírico de dependência entre tensão de escoamento e temperatura para medição de tensão em linha durante a manufatura aditiva assistida por laser. Os resultados das simulações de MD em larga escala neste estudo são denotados como \(\vartriangleleft\) para um cristal único infinito sem defeitos e \(\vartriangleright\) para grãos finitos, levando em consideração o tamanho médio do grão por meio da relação Hall-Petch Dimensões\(d = 50~\upmu \text {m}\).
Pode-se observar que em \(T>1500~\text {K}\) 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 SLM foi investigada experimentalmente usando uma fonte complexa de laser pulsado de intensidade modulada.
Foi encontrada 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 complexo de laser modulado e podem servir como base para a criação de novas modificações da técnica SLM pulsado.
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