Применение аддитивного производства позволяет создавать готовые детали сложной формы

Применение аддитивного производства позволяет создавать готовые детали сложной формы

18.06.2021

Применение аддитивного производства позволяет создавать готовые детали сложной формы, но требует переосмысления и настройки всех этапов синтеза. Прямое численное моделирование – это эффективный инструмент снижения экспериментальной работы необходимой для оптимизации таких сложных технологий. В современных моделях лазерной наплавки авторы стараются учесть большое количество происходящих процессов, расширяя область их применимости, поэтому совместное моделирование теплопередачи, конвекции и кинетики затвердевания является особенно актуальным.

Для управления микроструктурой деталей в лазерном аддитивном производстве, разработана новая модель процессов сопряженной теплопередачи и кинетики кристаллизации на подложке. Ученые используют уравнение Колмогорова-Джонсона-Мейла-Авраами совместно с уравнениями для сохранения моментов и тепла для моделирования скоростного фазового превращения и гидродинамических течений в ванне расплава. Также были проведены экспериментальные наплавки одиночных треков и анализ их макро- и микроструктурных параметров. Средний размер кристаллитов в наплавленных дорожках определялся при помощи дифракции обратного рассеяния электронов. Эксперименты показали, что модель довольно хорошо описывает геометрию и микроструктуру валиков при наплавке одиночных дорожек из супер сплава на основе Никеля (рис. 1). Недооценка глубины проплавления связана, по-видимому, с игнорированием импульса падающего порошка, что, однако, не влияет на результаты данной работы.


Рисунок 1
Рис. 1. Рассчитанные и экспериментальные макро и микропараметры одиночных валиков при лазерной наплавке порошка Inconel 718.


Известно, что макро- и микроструктурные параметры валиков имеют прямую зависимость от мощности лазерного излучения и обратную от скорости сканирования. Ученые показали, что двукратное увеличение скорости сканирования с сохранением количества порошка на единицу длинны приводит к снижению размера кристаллитов примерно в 1.7 раз. Для того что бы уравнять геометрические параметры валика на высокой скорости требуется увеличение мощности примерно на 20 %. Такое увеличение энерговклада влияет на размер кристаллитов, который в итоге для треков с идентичными геометрическими параметрами отличается на 20 % при двукратном увеличении скорости сканирования (рис. 2). Таким образом, было численно обнаружена возможность менять микроструктуру треков, сохраняя стратегию сканирования, тем самым убирая необходимость ее оптимизации при построении деталей с различной микроструктурой (рис. 3).


Рисунок 2
Рис. 2. Микроструктура в поперечном сечении валиков для низко- и высокоскоростного набора параметров.


Рисунок 3
Рис. 3. Подбор параметров наплавки позволяет менять микроструктуру валиков сохраняя стратегию сканирования.


По материалам статьи:
M.D. Khomenko, N.W. Makoana, F.Kh. Mirzade, S. Pityana. Coupled heat transfer, fluid flow and solidification kinetics for laser additive manufacturing applications. // Journal of Manufacturing Processes, 2021, V. 67, P. 611-618. DOI: 10.1016/j.jmapro.2021.05.019.