Технология за 3D печат на метал се използва широко в аерокосмическата индустрия, автомобилостроенето, биомедицината и други области, поради високия си коефициент на използване на материала и почти безформовното формоване. Въпреки това, въпреки че метален 3D печат Въпреки че може да се осъществи формирането на почти безкрайно сложни части, често срещаните металургични дефекти, като пори и включвания, все още са ограничение за мащабното приложение на тази технология. Тази статия разглежда често срещаните дефекти и механизмите на тяхното образуване в процеса на 3D печат с метал. Надяваме се, че на тази основа тя може да предостави на научноизследователския и развойния персонал в областта на 3D печата с метал идеи за намаляване или дори елиминиране на вътрешните дефекти.

От възхода на метала Технология на печат 3D През 1990-те години на миналия век, след повече от 20 години развитие, тя е широко използвана в ключови национални строителни области, като например аерокосмическата индустрия. Освен това, тъй като тази технология може да реализира обратно моделиране и персонализирано производство, тя е получила голямо популяризиране и в медицинската стоматология.

Технологията за лазерно формоване е важен клон на технологията за 3D печат на метал, която включва технология за лазерно селективно топене, базирана на прахов слой, и технология за насочено лазерно отлагане на енергия. Технологията за лазерно селективно топене е да се разпредели равномерно слой прах с дебелина 20~100μm върху субстрата. Прахът се разпределя равномерно през резервоар за съхранение на течност или бункер до работната зона. Обикновено се използва лазерен лъч с мощност от 20W до 1kW и скорост на сканиране до 15m/s. Прахът се топи селективно въз основа на определената стратегия за сканиране, субстратът се спуска, върху съществуващия слой се нанася друг слой прах и процесът на топене се повтаря; технологията за лазерно насочено енергийно отлагане се базира на дигитален модел, с високоенергиен лазерен лъч като източник на топлина. Лазерният лъч се облъчва върху металния субстрат, за да се образува разтопена вана. В същото време металният прах се въвежда в разтопената вана и се топи. Прахът се топи в разтопената вана. С движението на разтопената вана, разтопеният метал се втвърдява бързо и по този начин многократно, точка по точка и слой по слой, се формират метални части. В процеса на формоване на горните две технологии, инертен газ (като аргон или азот) се подава в технологичната камера, за да се предотврати реакцията на разтопения метал с други газове, особено с кислород. Понастоящем в процесите на лазерно формоване често се използват прахове от титаниеви сплави, алуминиеви сплави, кобалт, хром и неръждаема стомана. В сравнение с технологията за лазерно отлагане с насочена енергия, лазерното селективно топене има по-ниска ефективност на формоване, но повърхностната обработка, размерният толеранс и разделителната способност на характеристиките на формираните части са по-добри от тези на частите, изработени чрез процес на лазерно отлагане с насочена енергия.

В сравнение със съществуващите технологии за металоображдане, процесът на лазерно формоване на метали съдържа разнообразни дефекти, като например металургични дефекти, като лошо сливане и пори, както и дефекти, като пукнатини, причинени от остатъчно напрежение, натрупано по време на бързия процес на втвърдяване, уникални за тази технология. Тъй като пукнатините от умора обикновено започват от концентрации на напрежение, като пори и включвания, гореспоменатите дефекти ще окажат значително влияние върху експлоатационния живот на металните части. Освен това, тези дефекти ще насърчат допълнително локалната корозия, като по този начин стимулират напукването от умора. Устойчивостта на умора е едно от най-важните свойства на легираните метални части. Частите, получени чрез адитивно производство на метали в аерокосмическите и биомедицинските приложения, обикновено трябва да работят при сложни динамични условия на натоварване, а присъщите дефекти на процеса на лазерно формоване ще повлияят значително на умората на тези компоненти. Въз основа на това, тази статия разглежда типичния процес на лазерно формоване на метали и източниците на образуване на дефекти, с надеждата да положи теоретична основа за изследвания в тази посока.

Таблица 1 изброява основните категории дефекти, наблюдавани в лазерно формовани метални части. Поради стратегията за производство слой по слой, локалното нагряване и бързото охлаждане, както и разхода на прахообразен материал, често срещаните дефекти в лазерно формованите метали се проявяват главно като пори, неразтопен прах и др. Горните дефекти обикновено са източник на умора на материала, открита на повърхността на фрактура от умора, както е показано на Фигура 1. Дефектите, показани на фигурата, обикновено са причинени от недостатъчна или прекомерна енергия по време на процеса на лазерно формоване на метал. Параметрите на процеса имат голямо влияние върху характеристиките на дефектите, като вид, местоположение, форма, размер, ориентация и плътност. Дефектите могат да бъдат сведени до минимум чрез използване на висококачествен прах (по-висока сферичност и по-малко кухини) и оптимизиране на параметри на процеса, като дебелина на слоя, вложена енергия, посока на отлагане, стратегия на сканиране, разстояние на запълване и скорост на сканиране. Те могат да бъдат сведени до минимум и чрез последваща обработка на произведените части (като горещо изостатично пресоване), но не могат да бъдат напълно елиминирани. Други методи, като предварително нагряване и поддържане на основата при определена температура по време на процеса и поддържане на подходяща скорост на охлаждане, също могат да повлияят на съдържанието на дефекти в крайния детайл.

Както е показано на Фигура 1 (а), основните източници на сферични или елиптични пори са металните прахове и остатъчният въздух в защитната камера по време на процеса на печат на детайла. Освен това, енергията, подавана към разтопената вана, също трябва да бъде оптимизирана. Всяко отклонение от оптималната енергия може да доведе до лошо сливане или силно нестабилна разтопена вана и изпаряване. Прекомерната енергия ще доведе до силна конвекция и значителен откат на парите, което ще доведе до разпръскване на струята и нестабилност. Горните явления ще доведат до образуване на пори в разтопената вана (виж Фигура 1 (а)). Тъй като повърхностното напрежение на течния метал е доминиращо, формата на порите обикновено е сферична или елиптична. Освен това, сферичните прахови частици показват по-висока плътност поради подобрената течливост на праха в сравнение с оформените прахови частици със същите параметри на процеса. Сферичните прахове също така намаляват разпръскването, като по този начин намаляват до известна степен броя на дефектите. В случай на прекомерно висока енергийна плътност, върху повърхността на детайла се генерират кръгли/сферични дефекти поради силата на срязване, упражнявана от повърхностното напрежение върху повърхността на течността. Удължени тесни дефекти се образуват от недостатъчна енергийна плътност около неразтопени частици, перпендикулярно на посоката на отлагане.

Сферичните прахове също така намаляват пръските, като по този начин намаляват броя на дефектите. Изследователите са използвали елементарни прахови смеси, когато са изучавали лазерно селективно топене на сплави Al-Si и Ti-Ta. Сравнително ниската цена и лекотата на производство на елементарни прахове ги правят интересен избор за лазерно формоване и демонстрират, че селективното лазерно топене е осъществимо за тези метали. Приготвените in situ евтектични Al-Si сплави имат по-ниска якост на опън и по-висока пластичност в сравнение с пробите, приготвени от предварително легирани прахове. Освен това, приготвянето на плътни Al-12Si сплави чрез селективно лазерно топене на прахообразни смеси изисква по-висока енергийна плътност в сравнение с предварително легираните прахообразни суровини, което може да е свързано със сложните in-situ реакционни процеси. Техниките за лазерно формоване, като селективно лазерно топене, също предлагат възможност за многоматериална обработка чрез използване на прахообразни смеси или чрез добавяне на специални сепаратори към агента за повторно нанасяне, в които два или повече материала могат да бъдат селективно съхранявани и отлагани във всеки слой. Демир и др. са изследвали многоматериална обработка чрез селективно лазерно топене на чисто желязо и Al-12Si, Синг и др. върху AlSi10Mg и Chen et al. върху междинни слоеве 316L и CuSn10 за титанови сплави и неръждаема стомана.

Оксидните частици се считат за една от причините за образуването на пори в някои сплави (като AlSi10Mg) по време на лазерно формоване. Тези оксидни частици могат да се образуват поради окисляване на изпарената сплав от остатъчен кислород в аргонова атмосфера. По време на процеса върху лазерно разтопената повърхност на детайла са наблюдавани повече оксидни частици. Разтопената алуминиева сплав не може да намокри оксида и оксидните частици, като по този начин възпрепятства консолидацията на разтопения метал. Окисляването на лазерно обработения метал води до образуването на метално-керамичен интерфейс в синтероващата вана, което намалява омокряемостта течност-твърдо вещество. Липсата на омокряемост на твърдите частици и подлежащата матрица може да причини образуване на топчета в различни метали (както е показано на Фигура 1(c)). Тъй като процесът на лазерно формоване се извършва точково и послойно, ефектът на образуване на топчета може да доведе до образуване на прекъснати следи, лошо свързване между линии, порьозност и дори разслояване. Изключително високите скорости на сканиране също могат да причинят пръски на течни топчета, което води до непълно сливане и образуване на дефекти. Образуването на топчета може също да доведе до втвърдяване на разтопения материал като ред от капчици, вместо в непрекъснат слой, както е показано на Фигура 1(д).

Тези проучвания демонстрират осъществимостта на тази технология, въпреки че получената якост на опън обикновено е по-ниска от тази на поне един материал и липсата на сливане често е видима на границата на раздела. Като цяло, поради недостатъчна енергия, липсва свързване между слоевете, което води до LOF дефекти. LOF дефектите са области от необработен прах, както е показано на Фигура 1 (d), появяващи се главно между слоеве или лазерни следи с остри ръбове. Обикновено големите LOF дефекти съдържат неразтопени или частично разтопени частици. По време на процеса могат да се генерират и пукнатини. Kasperovich et al. оптимизираха параметрите на процеса с цел минимизиране на дефектите при лазерно селективно топене на Ti-6Al-4V. В случай на прекомерно висока енергийна плътност, на повърхността ще се генерират кръгли/сферични дефекти поради сили на срязване, упражнявани върху повърхността на течността от повърхностното напрежение. Удължени тесни дефекти, образувани от недостатъчна енергийна плътност около неразтопени частици, перпендикулярни на посоката на отлагане. Тъй като процесът на селективно лазерно топене се извършва точково и послойно, ефектът на сфероидизация може да доведе до образуването на прекъснати следи, лошо свързване на линиите, порьозност и дори разслояване.

2 Влияние на параметрите на процеса на лазерно формоване върху грапавостта на повърхността

Въпреки последните постижения в технологията за лазерно формоване, грапавостта на повърхността остава основен проблем. Присъщата повторяемост на процеса, както и наличието на полуразтопени частици, прикрепени към повърхността, и дефекти в подповърхностните и повърхностните връзки, водят до по-висока грапавост на повърхността в сравнение с конвенционалните производствени процеси. Грапавостта на повърхността се влияе значително от вида на процеса, размера на праха, геометрията на детайла и ориентацията на повърхността, както и от параметри на процеса като мощност на лазера, скорост на сканиране, разстояние между запълване на шаблона и дебелина на слоя.

Ел Сайед и др. предложиха линеен модел, за да обяснят връзката между мощността на лазера и грапавостта на повърхността за Ti-6Al-4V части, обработени чрез селективно лазерно топене. Проучването показа, че увеличаването на мощността на лазера от 35 W до 50 W води до значително намаляване на средноаритметичната стойност на грапавостта на повърхността Ra от 21µm до 9µm при постоянна скорост на сканиране и разстояние на запълване на шаблона съответно 250 mm/s и 78µm. Увеличаването на мощността на лазера може значително да намали грапавостта на горната и страничните повърхности на частите, обработени чрез селективно лазерно топене. Резултатите показват, че по-високата мощност на лазера води до по-голямо налягане на откат, което кара разтопената вана да се сплеска, създавайки по-добро качество на горната повърхност. Увеличаването на мощността на лазера и плътността на енергията също подобрява омокряемостта на разтопената вана и намалява вероятността от образуване на топки, което значително подобрява грапавостта на страничната повърхност. За разлика от това, друго проучване показа, че подобряването на Ra на горната повърхност винаги е съпроводено с влошаване на Ra на страничната повърхност и обратно. Горните проблеми могат да се обяснят с различното повърхностно напрежение в разтопения басейн, причинено от термични промени. Големите разтопени басейни и увеличените зони на припокриване между разтопените басейни също показват значително подобрена грапавост на повърхността. При определено разстояние на запълване, размерът на разтопения басейн постепенно намалява с увеличаване на скоростта на сканиране. Намаляването на размера на разтопения басейн води до намалено припокриване, като по този начин се увеличава грапавостта на горната повърхност. Освен това, когато разтопеният басейн се втвърди, частично разтопени частици от околния прах полепват по краищата на слоя и образуват крайната текстура на повърхността. Процесът на производство слой по слой при лазерно формоване създава висока степен на зависимост между характеристиките на повърхността и ъгъла на наклон на всяка повърхност. В горната и долната повърхност, които са наклонени към посоката на отлагане, възниква явление, наречено ефект на стълбището, което ще увеличи грапавостта.

За образци, произведени в диагонална посока спрямо отложения слой, повърхността, обърната надолу към отложения слой, има по-висока грапавост от повърхността, обърната нагоре. По-ниската скорост на разсейване на топлината от надвисналата страна кара повече прахови частици частично да се стопят и да се прилепят към повърхността. Надвисналата повърхност на образеца е по същество изградена върху прах, който има топлопроводимост, която е приблизително с порядък по-ниска от тази на втвърдената част. Това явление особено увеличава грапавостта на повърхности, които са под ъгъл по-малък от 45° надолу спрямо платформата за изработка. Следователно, топологията на повърхността на частите, произведени чрез технология за лазерно формоване, е силно зависима от ориентацията на частта. Повърхности, обърнати надолу с ъгли по-малки от 45°, обикновено се избягват чрез преориентиране на отпечатваната част. Това е и за да се избегне необходимостта от изграждане на опорни структури, тъй като премахването на опорите може да причини образуване на мустаци, което води до по-висока грапавост.

Гравитацията може също да повлияе на стопилката на неподдържания слой, карайки я да се провива в неразтопения прах отдолу, което води до по-грапавост на долната страна на компонента или долния слой от обърнатата нагоре повърхност или горния слой. Проучване на Gockel et al. изследва връзката между параметрите на процеса и грапавостта на повърхността, представена от средноаритметичната височина Ra и максималната височина на вдлъбнатината Rv. Те използват различни методи, като например сканиране със структурирана светлина и CT измервания. Използвайки кръгли пръти от сплав 718 L-PBF с постоянна дебелина на слоя 40µm, резултатите показват, че както Ra, така и Rv намаляват с увеличаване на мощността на лазера между 80 и 120 (W). Rv също намалява с увеличаване на скоростта на лазера в диапазона от 500~900 (mm/sec), но няма очевидна тенденция за Ra. Грапавостта на повърхността на селективните лазерно разтопени части може да се променя чрез различни стратегии за претопяване, като посоката на претопяване е същата или противоположна на първата посока на сканиране. Yu et al. изследва ефекта от стратегията за претопяване върху селективни лазерно разтопени AlSi10Mg части, използвайки конфокална микроскопия, микрокомпютърна томография (КТ) и оптична микроскопия (ОМ).

Стойностите на грапавостта на горната повърхност Ra се подобриха от 20.67 μm на 11.67 μm и 10.87 μm съответно за претопяване в същата и противоположна посока, но страничната грапавост показа отрицателна тенденция. Претопяването също така като цяло намалява порьозността, в зависимост от посоката и разпределението на порьозността. Хан и Джиао също така демонстрираха положителния ефект от комбинирането на лазерно селективно топене и лазерно повърхностно претопяване (LSR) процеси за производство на персонализирани алуминиеви компоненти в автомобилната и аерокосмическата промишленост. Методът подобри лазерно селективното топене на AlSi10Mg-de, създавайки Ra стойност от 19.3 μm до 0.93 μm. Микротвърдостта се увеличи с 19.5% чрез рафиниране на микроструктурата. Стойностите на грапавостта на горната повърхност Ra се подобриха от 20.67 μm до 11.67 μm и 10.87 μm съответно за претопяване в същата и противоположна посока, но страничната грапавост показа отрицателна тенденция. Претопяването също така обикновено намалява порьозността, в зависимост от неговата ориентация и разпределение на порьозността.

В обобщение, синергичният ефект на параметрите на процеса върху грапавостта на повърхността е много важен и влиянието на тези параметри варира значително в зависимост от нивото на приложение. В крайна сметка резултатите се дължат главно на взаимодействието на енергията на праха и енергията, абсорбирана от праха. Като се имат предвид промените във всички параметри на процеса, крайната грапавост на повърхността е силно повлияна от взаимодействието на наклона на повърхността, геометричните параметри на процеса, като размер на праха, дебелина на слоя и разстояние между слоевете, и параметрите на процеса, като мощност и скорост на сканиране. Поради сложната геометрия на лазерно формованите части, последващата обработка на повърхността може да бъде трудна, така че е много важно да се постигне приемлива грапавост на повърхността на нетните части чрез оптимизиране на параметрите на процеса и тяхното взаимодействие.

3 Заключение

Като важен клон на Технология на печат 3DТехнологията за лазерно формоване има параметри на процеса, които са решаващи фактори за металургичното качество и външната грапавост на лазерно формованите части. Тази статия обобщава връзката между често срещаните дефекти и основните параметри на процеса в процеса на лазерно формоване на метали, както и връзката между външната грапавост на частите и параметрите на процеса, което може да предостави определени решения за персонала, свързан с индустрията, при изясняване на причините за дефекти в частите.