Cơ sở nghiên cứu Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ sản xuất bồi đắp (AM), đặc biệt là ứng dụng rộng rãi của công nghệ tổng hợp bột laser (LPBF), hợp kim Inconel 718 đã trở thành vật liệu quan trọng trong ngành hàng không vũ trụ, năng lượng và các lĩnh vực sản xuất cao cấp- khác nhờ hiệu suất tuyệt vời của nó trong môi trường nhiệt độ cao, áp suất cao và ăn mòn. Tuy nhiên, trong quá trình tổng hợp lớp bột bằng laser, đặc tính nhiệt của hợp kim, độ ổn định của vùng nóng chảy và sự phát triển của hạt ảnh hưởng đáng kể đến tính chất vật liệu cuối cùng. Laser Gaussian truyền thống thường được sử dụng để xử lý như vậy, nhưng do sự phân bố năng lượng không đồng đều nên chúng dễ gây ra sự mất ổn định của bể tan chảy và sự phát triển hạt không đều. Laser đỉnh phẳng-với các đặc tính phân bố năng lượng đồng đều có thể giúp kiểm soát tốt hơn độ ổn định của bể tan chảy và sự phát triển hạt định hướng. Việc nghiên cứu ứng dụng tia laser đỉnh phẳng-trong phản ứng tổng hợp giường bột laser dự kiến sẽ tối ưu hóa hiệu suất của hợp kim Inconel 718 và cung cấp cơ sở lý thuyết cũng như hỗ trợ kỹ thuật cho quá trình sản xuất chất lượng-cao.
Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu này sử dụng sự kết hợp giữa mô phỏng và thử nghiệm để nghiên cứu tác động của tia laze đỉnh phẳng-đến hoạt động của bể tan chảy và sự phát triển của hạt trong quá trình tổng hợp lớp bột laze của hợp kim Inconel 718. Mô phỏng quét theo dõi đơn-đã được tiến hành để nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số như công suất laser và tốc độ quét đến sự phân bố nhiệt độ của bể tan chảy, hình thái của bể tan chảy và gradient nhiệt. Dựa trên kết quả mô phỏng, việc xác thực thử nghiệm sâu hơn đã được tiến hành bằng cách sử dụng tia laser đỉnh phẳng-công suất cao-cho phản ứng tổng hợp lớp bột của Inconel 718, quan sát và phân tích hình thái bể tan chảy, kích thước hạt và đặc tính vật liệu. Trong các thí nghiệm, các kỹ thuật như quan sát vi cấu trúc, nhiễu xạ tia X- và kiểm tra tính chất cơ học đã được sử dụng để đánh giá toàn diện sự phát triển của hạt, độ cứng vật liệu và đặc tính kéo. Tầm quan trọng của nghiên cứu Nghiên cứu này có giá trị lý thuyết và kỹ thuật quan trọng. Sự ra đời của tia laser{12}đỉnh phẳng có thể cải thiện hiệu quả các vấn đề như độ không ổn định của bể tan chảy và sự phát triển hạt không đều xảy ra với tia laser Gaussian thông thường trong quá trình xử lý hợp kim, cung cấp phương pháp công nghệ mới cho quá trình sản xuất bồi đắp Inconel 718. Các kết quả cung cấp tài liệu tham khảo quan trọng để tối ưu hóa hơn nữa các quy trình tổng hợp lớp bột laser, đặc biệt là trong quá trình xử lý vật liệu hợp kim nhiệt độ cao{14}}với triển vọng ứng dụng kỹ thuật rộng rãi. Ngoài ra, nghiên cứu này còn cung cấp hướng dẫn cho việc thiết kế quy trình sản xuất bồi đắp của các vật liệu{{16}hiệu suất cao khác, thúc đẩy ứng dụng công nghệ sản xuất bồi đắp trong ngành hàng không vũ trụ và các lĩnh vực khác. Những đổi mới So sánh giữa laser Gaussian-phẳng và laser truyền thống: Bằng cách so sánh ứng dụng của laser Gaussian-phẳng với laser Gaussian truyền thống trong phản ứng tổng hợp lớp bột laser, những lợi thế của laser-phẳng trong việc ổn định bể tan chảy và kiểm soát sự phát triển của hạt đã được tiết lộ. Kết hợp mô phỏng và thử nghiệm{22}một đường ray đơn lẻ: Việc tích hợp mô phỏng và xác minh thử nghiệm cung cấp một khung phân tích có hệ thống để hiểu rõ vai trò của các tia laser đỉnh phẳng{23}}trong bể tan chảy. Tối ưu hóa quy trình cho hợp kim Inconel 718: Cung cấp các chiến lược tối ưu hóa cho quy trình sản xuất bồi đắp của Inconel 718, đặc biệt là về những cải tiến tiềm năng về hiệu suất vật liệu, thúc đẩy-sản xuất chất lượng cao của hợp kim nhiệt độ{28}}cao. Khám phá các ứng dụng laser đỉnh phẳng{30}}trong phản ứng tổng hợp lớp bột: Nghiên cứu này lần đầu tiên khám phá một cách có hệ thống ứng dụng của tia laser đỉnh phẳng{31}}trong phản ứng tổng hợp lớp bột laser, cung cấp những hướng đi mới cho nghiên cứu trong tương lai về các công nghệ liên quan.
Kết quả và thảo luận 1. Ảnh hưởng của công suất laser và tốc độ quét đến hành vi của bể nóng chảy Trong cả mô phỏng và thí nghiệm, ảnh hưởng của công suất laser và tốc độ quét khác nhau đến sự phân bố nhiệt độ, hình thái và gradient nhiệt của bể nóng chảy đã được khám phá. Kết quả chỉ ra rằng ở công suất laser cao, sự phân bố nhiệt độ của bể nóng chảy đồng đều hơn. Laser đỉnh phẳng có thể làm giảm sự dao động nhiệt độ trong bể nóng chảy một cách hiệu quả. So với các tia laser Gaussian thông thường, các tia laser-đỉnh phẳng cung cấp khả năng phân bổ trường nhiệt ổn định hơn. Sự thay đổi tốc độ quét ảnh hưởng đáng kể đến hình thái và tốc độ làm mát của bể nóng chảy. Ở tốc độ quét vừa phải, bề mặt của bể nóng chảy mịn và quá trình làm mát tương đối đồng đều, giúp hình thành cấu trúc hạt ổn định hơn. 2. Tăng cường tính ổn định của bể nóng chảy bằng tia laser phẳng-Các kết quả thử nghiệm cho thấy rằng khi sử dụng tia laser có đỉnh phẳng{10}}, bể nóng chảy thể hiện hành vi ổn định hơn trong quá trình quét bằng laser, tránh sự mất ổn định do độ dốc nhiệt quá mức gây ra. So với tia laser Gaussian, sự phân bố công suất đồng đều của các tia laser{12}đỉnh phẳng giúp giảm một cách hiệu quả sự biến động trong hình thái bể nóng chảy và thúc đẩy phản ứng tổng hợp tốt, giảm sự phát triển không đều ở các cạnh của bể nóng chảy. Độ ổn định này rất có ý nghĩa đối với sự phát triển hạt tiếp theo và tính đồng nhất của cấu trúc vi mô, nâng cao hiệu quả các tính chất cơ học và độ tin cậy của vật liệu. 3. Tính định hướng của sự phát triển hạt Khi xử lý hợp kim Inconel 718 bằng tia laser{16}đỉnh phẳng, các thử nghiệm đã quan sát thấy tính định hướng tốt hơn trong sự phát triển của hạt. Trong trường nhiệt đồng đều của tia laser đỉnh phẳng, các trục dài của hạt có xu hướng phát triển dọc theo hướng quét tia laser, tạo thành cấu trúc hạt định hướng. Sự tăng trưởng theo hướng này cải thiện đáng kể các tính chất cơ học của vật liệu, đặc biệt là độ bền kéo và khả năng chống mỏi. Ngược lại, việc sử dụng tia laser Gaussian cho thấy sự phát triển hạt có tính ngẫu nhiên mạnh mẽ do bể nóng chảy không ổn định, dẫn đến sự phân bố hạt không đồng đều, điều này ảnh hưởng nhiều hơn đến các tính chất cơ học toàn diện của vật liệu. 4. Tối ưu hóa các đặc tính vật liệu Thông qua phân tích cấu trúc vi mô và thử nghiệm cơ học, người ta nhận thấy rằng hợp kim Inconel 718 được xử lý bằng tia laser đỉnh phẳng thể hiện các đặc tính tuyệt vời về độ cứng, độ bền kéo và hiệu suất mỏi: Kiểm tra độ cứng cho thấy các mẫu được xử lý bằng tia laser đỉnh phẳng có độ cứng cao hơn, cho thấy mật độ vật liệu tốt hơn và tính toàn vẹn cấu trúc. Kết quả kiểm tra độ bền kéo cho thấy rằng các hợp kim được xử lý bằng laser{26}}đỉnh phẳng{27}}có năng suất và độ bền kéo cao hơn, đồng thời chế độ đứt gãy thể hiện sự phân bố ứng suất đồng đều hơn, ngăn ngừa sự lan truyền vết nứt. Trong các thử nghiệm độ mỏi, các mẫu được xử lý bằng-laze trên cùng-phẳng có tuổi thọ mỏi dài hơn, cho thấy khả năng chống mỏi tốt hơn, khiến chúng phù hợp với-các ứng dụng hiệu suất cao. 5. Ảnh hưởng của hành vi nhiệt và quá trình làm mát Trong quá trình làm mát, các mẫu được xử lý bằng laze trên cùng-phẳng thể hiện gradient nhiệt tương đối đồng đều và tốc độ làm mát ổn định, tránh ứng suất nhiệt và ứng suất dư có thể xảy ra với laze Gaussian thông thường. Kết quả thực nghiệm cho thấy quá trình làm nguội đồng đều hơn sẽ thúc đẩy sự phân bố đồng đều các ứng suất bên trong vật liệu, ngăn ngừa biến dạng và nứt do ứng suất nhiệt quá mức.
6. Sự kết hợp giữa kết quả mô phỏng và thử nghiệm Tính nhất quán cao giữa kết quả mô phỏng và thử nghiệm cho thấy rằng tia laser-đỉnh phẳng có lợi thế đáng kể trong việc cải thiện độ ổn định của bể tan chảy, hướng phát triển của hạt và đặc tính vật liệu. Các kết quả mô phỏng cung cấp cơ sở lý thuyết và xác minh khả năng kiểm soát hiệu quả hành vi nhiệt của bể tan chảy và sự phát triển của hạt bằng tia laser-đỉnh phẳng. Dữ liệu thực nghiệm xác nhận thêm lý thuyết này, xác nhận sự cải thiện các đặc tính vật liệu bằng tia laser-đỉnh phẳng thông qua các bài kiểm tra độ cứng, độ bền kéo và độ mỏi. Thảo luận và kết luận So với tia laser Gaussian, tia laser-đỉnh phẳng mang lại những lợi thế đáng kể về độ ổn định của bể tan chảy và định hướng phát triển của hạt. Sự phân bổ năng lượng đồng đều của nó giúp tăng cường hiệu quả độ ổn định của bể tan chảy, giảm sự thay đổi hình dạng bể tan chảy không đều và thúc đẩy sự phát triển hạt định hướng trong vật liệu. Tối ưu hóa các đặc tính vật liệu: Tia laser{10}đỉnh phẳng không chỉ cải thiện hoạt động của bể tan chảy mà còn tăng cường đáng kể các đặc tính cơ học của hợp kim Inconel 718, cho thấy những ưu điểm đáng chú ý về độ cứng, độ bền kéo và khả năng chống mỏi. Nghiên cứu này chứng minh rằng việc ứng dụng tia laser{13}đỉnh phẳng trong phản ứng tổng hợp lớp bột laser không chỉ cải thiện độ ổn định của bể tan chảy mà còn cung cấp một lộ trình kỹ thuật mới để sản xuất vật liệu hiệu suất cao, có triển vọng ứng dụng rộng rãi, đặc biệt là trong hàng không vũ trụ, năng lượng và các lĩnh vực khác. Nghiên cứu này đưa ra những ý tưởng mới cho việc sản xuất bồi đắp vật liệu hợp kim hiệu suất cao. Trong tương lai, các tham số quy trình có thể được tối ưu hóa hơn nữa và có thể khám phá thêm nhiều nguồn laser hơn để sử dụng trong các vật liệu hợp kim có nhiệt độ cao, thúc đẩy ứng dụng rộng rãi công nghệ sản xuất bồi đắp trong sản xuất công nghiệp.
